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断裂论文#12 -裂纹路径和断裂过程区域自治的讨论
裂纹通常遵循局部给出I型裂纹尖端载荷的路径。在混合模态下，裂纹通过扭结向局部恢复模态i的方向扩展，在各向同性材料中，这或多或少是已知的，对于静态和动态载荷都是如此。例外情况是受到高压缩载荷的裂缝，例如，火车车轮和轨道之间的接触处或地震运动引起的裂缝。其他例外是在各向异性材料中，在晶界或其他弱或变形减弱的界面中生长的裂纹。
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这是一篇有趣的关于混合模式载荷和裂纹路径计算的论文，它结合了几种裂纹尖端建模的概念。所开发的方法具有普遍的适用性，因为它包括从界面通过，连接或偏转的裂纹，三种材料相交的分叉点处的裂纹，当然还有嵌入均匀材料中的裂纹路径。提出了一种利用两个局部微变化网格来计算裂纹路径变化引起的能量释放率变化的方法。m积分(Yau, Wang和Corten, J. appll)。动力机械。I型和II型的分离采用1980。最后给出了一个结合上述方法的裂纹扩展框架。结果令人信服地模拟了复合材料裂纹扩展过程。遵循应变能释放率相对于韧性最大化的路径。
当断裂过程局限于一个小区域时，使用锋利的裂纹尖端可能是安全的。然而，它偶尔会导致不合理的行为，例如当裂纹尖端从较弱的材料到较硬的材料穿过双材料界面时，能量释放率消失(参见本系列论文9的讨论)。类似地，假设一个裂纹遇到一个可想象的分支点，有两条分支或路径可供选择，两条路径具有相同的载荷和相同的韧性。这似乎是一场死战。然而，假设破裂过程的开始需要足够的静水应力和足够的后续变形来完成破裂，并且这些量之间的关系沿着两条路径是不同的。然后，即使韧性相等，裂纹的扩展也可能遵循首先允许开始断裂过程的路径，而其他路径永远不会被激活。也许有例外，但总的来说，在我看来，对于这些情况需要一个更详细的裂纹尖端模型。
我认为，当裂缝从弱界面上偏转时，也存在类似的问题。裂纹在混合模态荷载作用下是沿弱面延伸，还是扭出弱面，在很大程度上取决于在界面外启动断裂过程的亲和力。
我知道这篇论文关注的是不可分割的断裂韧性，这是非常优秀的，但鉴于上面概述的场景，我想知道该模型是否可以扩展到包括具有有限物理范围的过程区域的建模，例如通过使用内聚区域模型，为过程区域提供两个参数模型。我马上想到的一个困难是，应变能奇点被内聚应力环化了，所以m积分可能会失效。尽管如此，如果过程区域的最重要部分，即内聚区的尖端而不是裂纹尖端是寻径器，那么应力准则可能是一个合适的候选。还有其他的可能性吗?在裂纹尖端前方一定距离处使用应力准则时，是否能保持点状裂纹尖端?或者“固定距离”本身是否需要过程区域自治?
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评论
谢谢你的体贴
感谢您对我们最近论文的周到审阅。当裂缝与界面交互时，可能会遇到许多不同的情况。本文中开发的方法试图奠定一个基础，在此基础上我们可以合并更复杂的场景，例如您上面描述的那些。对于没有看过这篇论文的读者，我将首先提供一些额外的背景信息。
该框架的一个重要组成部分涉及一个预先创建的网格模式库(称为模板)，它自动插入到裂纹尖端周围。模板包含许多不同角度的裂纹扩展增量，并在裂纹尖端处合并到现有的有限元模型中。现有的模型可以有两个8不同的材料区域在尖端连接。对于每个不同兴趣角度的增长，有两个几乎相同的模板，主要区别在于，在一个模板中，允许沿扩展增量的节点分离，而在另一个模板中，扩展增量简单地表示在网格中。这些模板是自动插入的，并且能够有效地获取“之前”和“之后”的FE分析结果。对于本文研究的场景，GI和GII是通过考虑“之前”模型中裂纹尖端前方的力和“之后”模型中相应的开口位移来获得的。
你所描述的情况可以通过在两个主要领域扩展框架来进行很大程度的研究:1)从有限元结果中提取标准特定的应力/应变/位移值;2)开发额外的网格模板集。首先，考虑到需要特定应力状态或变形的起裂准则，这些值可以从分析结果中导出，并自动与临界值进行比较。这将是对现有代码的直接修改。为了包含内聚区域模型，可以开发网格模板集，使其包含沿裂纹扩展增量的界面元素。当前的实现可以使用所提供的界面韧性值，这些值依赖于相邻的两种材料。根据相邻材料的组合，同样可以应用不同的牵引-分离关系。使用网格模板以任何感兴趣的角度在现有尖端之前立即插入界面元素，允许裂缝在任何方向上生长，而不必遵循包含界面元素的预定路径。需要额外的工作来调整框架和现有的FE代码，以适当地处理接口元素。
总的来说，这种方法是可扩展的，因此它可以适应不同的断裂标准和材料特性。对于任何给定的多材料结构，应选择适当的标准，并在必要时纳入框架。