[发明专利]一种脆性固体材料非均匀性力学性能预测方法

说明书

本发明公开了一种脆性固体材料非均匀性力学性能预测方法，该方法是基于脆性固体材料常规三轴压缩试验确定材料的非光滑应力应变曲线，以及通过断裂损伤力学理论确定材料的非光滑应力应变理论曲线描述方程，然后对比分析试验与理论得到的非光滑应力应变曲线，确定材料内部局部软弱区域损伤大小及数量，然后确定能够描述材料非光滑曲线的理论方程。描述由于随机分布微缺陷局部损伤导致的脆性固体材料复杂的非均匀力学性能，为更好的模拟分析脆性固体材料工程安全稳定提供重要支持。

技术领域

本发明涉及固体力学工程领域，具体地说，是涉及一种脆性固体材料非均匀性力学性能预测方法。

背景技术

脆性固体材料是工程领域常见的一种材料，例如，岩石、陶瓷、玻璃、混凝土等，这些脆性固体材料内部往往存在大量随机分布的微裂纹及空隙，进而导致了固体材料的非均匀力学特性。以往通过压缩荷载作用下，固体材料光滑的应力-应变曲线描述其压缩力学性能，随着应变增大，应力先增大，后减小，存在一个峰值，其为固体材料的强度。然而，该光滑应力应变曲线无法描述固体材料内部微裂纹及空隙导致的非均匀力学性能。固体材料的非均匀力学性能导致了压缩荷载作用过程中材料内部会出现多个局部软弱区域破坏现象，这些局部软弱区域对脆性固体材料导致的损伤程度是随机的，进而会导致脆性固体材料出现不同程度开裂情况，进而严重影响脆性固体材料工程寿命。

目前，能够通过理论描述脆性固体材料内部局部微缺陷开裂贯通对材料力学性能影响的方法很少。然而，如何能够很好的通过理论方法描述脆性固体材料的非均匀性力学性能，进而为脆性固体材料工程安全稳性定评价提供依据将有着极为重要的意义。因此需要一种能有效解决上述问题的脆性固体材料非均匀性力学性能预测方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种脆性固体材料非均匀性力学性能预测方法，

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明包括以下步骤：

A选取待检测脆性固体材料基于常规三轴压缩试验，测取脆性固体材料的轴向应力-应变关系曲线(即σ₁-ε₁)，确定脆性固体材料弹性模量(E)及泊松比(γ)。

B通过预制带有裂缝的脆性固体材料，进行三点弯曲试验，确定脆性固体材料的断裂韧度K_IC。

C基于电镜扫描试验，确定单位体积内脆性固体材料初始损伤值(D_o)，得到在特定压缩应力作用下，可以描述材料内部含有初始裂纹尺寸(a)、角度及裂纹摩擦系数(μ)的脆性固体的材料参数；

D通过所述材料参数建立裂纹扩展长度与应变关系表达式：

E计算得到轴向应变与轴向应力关系理论曲线(σ₁-ε₁)，然后将理论结果与步骤A试验得到试验结果对比分析，确定模型中难以用实验直接确定的模型参数初始裂纹尺寸a，初始裂纹夹角初始裂纹摩擦系数μ(0μ1)。

进一步地，所述裂纹扩展长度与应变关系表达式为：

其中ε_o为材料常数(可以参考应力应变曲线的最终失效应变值确定)，m为材料常数(m＝1、2或3)，||代表取绝对值。

进一步地，其内部初始裂纹克服摩擦力导致的所述内部裂纹长度与应力关系方程：