CN116818560B - 一种动力冲击下脆性固体材料的长期寿命评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动力冲击下脆性固体材料的长期寿命评价方法，包括获取所述脆性固体材料的单轴轴向动力冲击与恒定荷载方向上轴向应变与时间关系试验曲线，并通过固体断裂力学基础理论，给出能够评价脆性固体材料直接拉伸作用下的压应力与压应变的关系曲线的理论方程,通过测取动力冲击荷载下的脆性固体材料的长期变形破坏特征，分析动力冲击荷载导致脆性固体材料的动力损伤，对脆性固体材料长期变形直至破坏的时间影响，验证本发明的合理性进一步预测评价不同动力冲击荷载影响下，脆性固体材料的长期寿命变化规律。

Description

一种动力冲击下脆性固体材料的长期寿命评价方法
技术领域
本发明涉及固体力学工程技术领域，尤其涉及一种动力冲击下脆性固体材料的长期寿命评价方法。
背景技术
脆性固体材料是不同的工程领域，例如土木工程、航天工程、交通工程等，应用广泛的一种材料，具体脆性固体材料包含玻璃、陶瓷、混凝土、岩石等，这些脆性固体材料可以承受较大的压缩荷载，因此工程中经常利用这些材料的抗压性能设计各种满足工程需求的结构。但是这些材料的拉伸力学性能较差，在这些脆性固体材料工程结构中，难免会受到来自外部拉伸荷载的影响因素，进而导致脆性固体材料工程结构产生断裂破坏的风险。
因此，能够很好的评价脆性固体材料长期寿命性能具有重要意义。此外，这些脆性固体内部往往存在着大量的微裂隙，这些微裂隙对于脆性固体长期寿命性能起着至关重要作用。目前能够通过理论方程，来解释脆性固体材料内部微裂纹扩展导致长期寿命性能的方法很少，因此，提出一种脆性固体材料长期寿命的评价方法，将对于脆性固体材料工程结构安全设计具有重要实践价值，需要一种动力冲击下脆性固体材料的长期寿命评价方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术问题而提出的一种动力冲击下脆性固体材料的长期寿命评价方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明包括以下步骤:
A、获取所述脆性固体材料的单轴轴向动力冲击与恒定荷载方向上轴向应变与时间关系试验曲线；
B、通过三维电镜扫描技术扫描所述脆性固体材料，确定其内部缺陷体积，进而确定所述脆性固体材料的微缺陷密度D 0，初始损伤取值大于0且小于1；
C、利用三点弯曲断裂力学实验，确定所述脆性固体材料的准静态断裂韧度K IC；
D、通过双扭亚临界裂纹扩展测试仪器，测取恒定荷载作用下所述脆性固体材料由于化学作用导致的裂纹扩展过程中的应力侵蚀指数n，特征裂纹速率v；
E、通过直接剪切试验仪器，确定所述脆性固体材料的滑动摩擦系数μ；
F、基于断裂力学理论，建立动力冲击荷载作用下所述脆性固体材料在长期流变破坏过程中压应力σ 1t与压应变ε 1t的关系方程以及理论曲线,方程式如下：
(1)
式中，l t代表脆性固体材料内部的裂纹长度随时间演化规律，D dyt代表受到动力冲击扰动下的脆性固体材料内部动力损伤随时间演化规律；
G、确定参数a，参数φ，参数m，参数ε 0 ，参数β后计算得到动力冲击荷载作用下的应变与时间关系曲线用于评价动力冲击荷载下所述脆性固体材料的长期寿命。
进一步地，在步骤F中参数l t的具体裂纹长度与时间关系式，可以通过关于裂纹长度l的时间微分方程求解确定，计算公式如下：
(2)
式中：
(3)
(4)
(5)
(6)
其中，参数σ 1t代表脆性固体材料所承受的轴向应力随时间演化规律。
进一步地，在方程（2）中，裂纹长度时间微分方程中的初始裂纹迭代长度值，可以根据应力σ 1与裂纹长度l关系方程确定：
(7)
式中：
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
式中，参数D 0 为该体材料微缺陷密度；参数K IC为脆性固体材料的断裂韧度，参数μ为滑动摩擦系数，理论计算中轴向压应力σ 1为负数，参数σ 1L为承受的具体荷载的初始应力，参数D dyt通过定义动力损伤与时间相关的函数f(D dy,t)=0确定，该函数描述动力损伤与时间关系，参数σ 1t通过定义一个脆性固体材料承受的外部应力与时间关系函数f(σ 1,t)=0确定。
进一步地，所述参数a，参数φ，参数m，参数β具体值根据步骤F中的理论计算得到的的动力冲击下的应变与时间关系理论曲线，与步骤A中试验得到的压应力与压应变关系曲线对比分析计算确定，所述参数m选取值1、2、3，参数β取值大于0且小于1, 参数a是脆性固体材料内部初始缺陷平均尺寸，取值一般小于4mm， 参数φ是初始缺陷角度，其取值大于0且小于90。
进一步地，所述参数ε 0通过步骤A中应变时间关系曲线中的失效应变的最大值确定。
相比现有技术，本发明的有益效果为：
本发明利用脆性固体材料承受单轴动力冲击压缩荷载作用下的试验，测取动力冲击荷载下的脆性固体材料的长期变形破坏特征，分析动力冲击荷载导致脆性固体材料的动力损伤，对脆性固体材料长期变形直至破坏的时间影响，验证本发明的合理性进一步预测评价不同动力冲击荷载影响下，脆性固体材料的长期寿命变化规律。
附图说明
图1 为本发明中实施例砂岩脆性固体材料轴向应力随时间演化曲线示意图；
图2 为本发明中实施例砂岩脆性固体材料动力冲击荷载下的应变及动力损伤时间演化的理论计算曲线示意图；
图3 为本发明中实施例砂岩脆性固体材料动力冲击荷载下的应变-时间关系的试验测试曲线示意图；
图4 为本发明中实施例砂岩脆性固体材料动力冲击荷载下的应变-时间关系的理论与试验对比曲线示意图；
具体实施方式
参照图1-4，下面选取砂岩固体材料为例，来进一步，来验证该发明中理论方程的可靠性。
1、制作一个长宽高比例为1:1:2的砂岩脆性固体材料试样，放置与能够开展单轴的轴向动力冲击与恒定荷载共同作用下的长期流变试验的仪器中，记录长期实验过程中，该试样的轴向应变与时间关系曲线。可以通过设置动力冲击荷载的幅值与频率，定性地分析幅值Δσ，频率（1/T）与脆性固体的动力冲击扰动下的最终破坏时间关系。
2、利用三维电镜扫描脆性固体材料试样内部的微缺陷特征，确定脆性固体材料内部缺陷体积，该体积与材料试样体积比值，为该体材料微缺陷密度D 0，其值小于1。
3、预制含有裂纹的脆性固体试样，利用三点弯曲试验仪器，测取该脆性固体材料的断裂韧度K IC。
4、预制含有裂纹的脆性固体试样，利用双扭亚临界裂纹扩展测试仪器，测取恒定荷载作用下，由于化学作用导致的裂纹扩展过程中的应力侵蚀指数n，特征裂纹速率v。
5、利用两个相同且表面光滑的脆性固体材料，通过直接剪切试验仪器，确定该材料的滑动摩擦系数μ。
6、根据断裂力学理论，建立了一种考虑动力冲击荷载下，脆性固体材料的长期流变破坏过程中的应力σ 1t、应变ε 1t与时间t关系方程：
(1)
7、上述方程（1）中l t的具体裂纹长度与时间关系式，可以通过下面关于裂纹长度l的时间微分方程求解确定，
(2)
式中：
(3)
(4)
(5)
(6)
其中公式（1）中，l t代表脆性固体材料内部的裂纹长度随时间演化规律，D dyt代表受到动力冲击扰动下的脆性固体材料内部动力损伤随时间演化规律；公式（2）中σ 1t代表脆性固体材料所承受的轴向应力随时间演化规律。
8、此外，上述方程（2）中，裂纹长度时间微分方程中的初始裂纹迭代长度值，可以根据下面应力σ 1与裂纹长度l关系方程确定：
(7)
式中：
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
上面计算公式中，参数D 0可以通过步骤2确定；参数K IC可以通过步骤3确定；参数μ可以通过步骤4确定。理论计算中轴向压应力σ 1为负数，其具体取值等于步骤10中，承受的具体荷载的初始应力σ 1L。
9、此外，上述方程中的D dyt可以通过定义动力损伤大小与时间相关的函数f(D dy,t)=0确定，该函数可以描述下面图中的动力损伤与时间关系。具体变化规律可以近似为随着时间增加，先保持恒定，当受到冲击荷载时刻，产生一个突增变量；然后在此值基础上，继续保持恒定，当再次受到冲击荷载时，再产生一个突增，然后继续保持恒定，按着这样的规律，只要脆性固体材料没有发生最后的破坏，每受到一次冲击就增加一个突变值，进而来实现D dyt的函数定义，具体详见图2算例分析。
10、上述方程中的σ 1t，可以通过定义一个脆性固体材料承受的外部应力与时间关系函数f(σ 1,t)=0确定，如图1，图中σ 1L，T，Δσ为定义该函数三个特征参数。
11、上述方程中参数a是脆性固体材料内部初始缺陷平均尺寸，取值一般小于4mm，具体值根据步骤6中的理论计算得到的动力冲击下的应变与时间关系曲线，与步骤1中试验得到的应变与时间关系曲线对比分析，当两者最为接近时，确定参数a。
12、上述方程中参数φ时初始缺陷角度，其取值大于0且小于90，具体值根据步骤6中的理论计算得到的动力冲击下的应变与时间关系曲线，与步骤1中试验得到的应变与时间关系曲线对比分析确定。
13、上述方程中参数ε 0可以近似为步骤1中的应变时间关系曲线中的最大失效应变，具体值可以适当调整，来保证步骤6与步骤1中的理论与试验得到的应变与时间关系曲线的尽量一致。
14、上述方程中参数m一般选取值1、2、3，具体值根据步骤6中的理论计算得到的动力冲击下的应变与时间关系曲线，与步骤1中试验得到的应变与时间关系曲线保持一致时确定。
15、上述方程中参数β一般取值大于0且小于1，具体值根据步骤6中的理论计算得到的动力冲击下的应变与时间关系曲线，与步骤1中试验得到的应变与时间关系曲线保持一致时确定。
16、确定了某脆性固体材料的上述所有参数，根据步骤6确定的脆性固体材料的应力、应变与时间关系方程，可以判断分析不同动力冲击荷载作用下的应变与时间关系曲线，进而可以评价动力冲击荷载下脆性固体材料的长期寿命，应变最大值时所对应的时间，即为该脆性固体材料的长期寿命。
表1中给出了针对砂岩材料，本发明理论方程中的参数具体值。图2给出了本发明理论计算得到的受到两次相同幅值与周期的动力冲击扰动下的应变与时间关系曲线，图3给出了试验仪器测取的砂岩受到两次动力冲击扰动下的应变与时间关系曲线，图4给出了理论与试验对比曲线，验证了本发明的合理性。
表1 砂岩参数
参数 m ε o a/m φ/ o K IC/MPa.m1/2 β μ D 0 n v/m/ s T/s Δσ/MPa σ 1L /MPa
取值 1 0.0126 0.0119 27.39 1.29 0.126 0.41 0.058 40 0.29 0.0004 33.46 19.86
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种动力冲击下脆性固体材料的长期寿命评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、获取脆性固体材料的单轴轴向动力冲击与恒定荷载方向上轴向应变与时间关系试验曲线；
B、通过三维电镜扫描技术扫描所述脆性固体材料，确定其内部缺陷体积，进而确定所述脆性固体材料的微缺陷密度D 0，初始损伤取值大于0且小于1；
C、利用三点弯曲断裂力学实验，确定所述脆性固体材料的准静态断裂韧度K IC；
D、通过双扭亚临界裂纹扩展测试仪器，测取恒定荷载作用下所述脆性固体材料由于化学作用导致的裂纹扩展过程中的应力侵蚀指数n，特征裂纹速率v；
E、通过直接剪切试验仪器，确定所述脆性固体材料的滑动摩擦系数μ；
F、基于断裂力学理论，建立动力冲击荷载作用下所述脆性固体材料在长期流变破坏过程中压应力σ 1t与压应变ε 1t的关系方程以及理论曲线,方程式如下：
(1)
式中，l t代表脆性固体材料内部的裂纹长度随时间演化规律，D dyt代表受到动力冲击扰动下的脆性固体材料内部动力损伤随时间演化规律；
参数l t的具体裂纹长度与时间关系式，可以通过关于裂纹长度l的时间微分方程求解确定，计算公式如下：
(2)
式中：
(3)
(4)
(5)
(6)
其中，参数σ 1t代表脆性固体材料所承受的轴向应力随时间演化规律；
G、确定参数a，参数φ，参数m，参数ε 0 ，参数β后计算得到动力冲击荷载作用下的应变与时间关系曲线用于评价动力冲击荷载下所述脆性固体材料的长期寿命。
2.根据权利要求1所述的一种动力冲击下脆性固体材料的长期寿命评价方法，其特征在于，在方程（2）中，裂纹长度时间微分方程中的初始裂纹迭代长度值，可以根据应力σ 1与裂纹长度l关系方程确定：
(7)
式中：
(8)
(9)
式中，参数D 0 为该体材料微缺陷密度；参数KIC为脆性固体材料的准静态断裂韧度，参数μ为滑动摩擦系数，理论计算中轴向压应力σ 1为负数，参数D dyt通过定义动力损伤与时间相关的函数f(D dy, t)=0确定，该函数描述动力损伤与时间关系，参数σ 1t通过定义一个脆性固体材料承受的外部应力与时间关系函数f(σ 1, t)=0确定。
3.根据权利要求1所述的一种动力冲击下脆性固体材料的长期寿命评价方法，其特征在于，所述参数a，参数φ，参数m，参数β具体值根据步骤F中的理论计算得到的动力冲击下的应变与时间关系理论曲线，与步骤A中试验得到的压应力与压应变关系曲线对比分析计算确定，所述参数m选取值1、2、3，参数β取值大于0且小于1, 参数a是脆性固体材料内部初始缺陷平均尺寸，取值小于4mm， 参数φ是初始缺陷角度，其取值大于0且小于90。
4.根据权利要求1所述的一种动力冲击下脆性固体材料的长期寿命评价方法，其特征在于，所述参数ε 0通过步骤A中应变时间关系曲线中的失效应变的最大值确定。
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