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断裂论文#13 -韧性撕裂时的内聚性
在对EFM中特别值得阅读的论文的回顾中，我选择了一篇关于大型延性板撕裂的论文，即:
“大型延性板I型撕裂的内聚区建模和校准”，P.B. Woelke, M.D. Shields, J.W. Hutchinson，工程断裂力学，147(2015)293-305。
本文首先很好地回顾了从厚到薄的板的破坏过程，从平面应变断裂，通过增加应变局部化和沿剪切面破坏，到纯应变局部化破坏的最薄箔。
标题中的板有一个共同点，它们包含一个钝缺口，并承受单调增加的负荷。它们太薄而不能完全断裂，太厚而不能通过纯塑料屈服而失效。相反，破坏过程是颈缩，然后在颈缩区域沿磨损的滑移面断裂。宏观上它是I型，但在微观尺度上，沿着滑移面最终的破坏具有混合I型和III型的动力学，我猜，也有II型。
解决断裂过程细节问题的数值解决方案可能是可以想象的，但对于工程目的来说非常不实际。相反，包括应变局部化过程和随后的剪切破坏在内的缩颈区域是宏观不稳定材料的区域，由内聚区模拟。其余板模型为基于真应力和对数应变的幂律硬化连续体。
分析分为两部分。首先，将垂直于内聚区拉伸的截面视为平面应变截面。这是一个形状的横截面，在这个截面上，有脖子的比喻变得很明显。在这里，得到了应变局部化和剪切破坏对粘性能的贡献之间的关系。采用Gurson材料模型。其次，结构尺度模型揭示了撕裂能分解为黏结能和黏结区外塑性耗散;粘性区模型考虑了位置相关的粘性撕裂能，并利用b.c Simonsen, R. Törnqvist, Marine Structures, vol. 17, pp. 1- 27,2004的实验结果对粘性能进行了标定。
结果表明，在裂纹扩展开始后，标定的内聚能值较低，随后稳定值较高。后者是当裂纹从初始裂纹尖端位置扩展到几个板厚的距离时实现的。计算继续进行，直到裂缝横过大约三分之一的板宽。
我可以理解，正如调查人员所说，最初裂纹扩展期间的情况是复杂的。我猜他们也会同意，如果较低的初始内聚能可以与机械状态的性质相关，而不是位置，那就更好了。在这种情况下，位置依赖似乎是正确的选择，直到弄清楚在真正的颈缩区域发生了什么
我想知道调查人员是否会继续计算结合能，直到裂缝完全穿过板。这将提供一个机会来检验裂纹扩展开始时和板完全断裂时的假设。有一些相似之处，但仍然不同的情况将把任何关于力学状态依赖关系的假设的一致性置于测试之中。
我在这里冒昧地提出其他特征，这些特征可能随着到原始裂纹尖端位置的距离而变化。
穿过内聚带的应变应该比沿内聚带的应变大。这就是进行缩颈过程平面应变计算的动机。在靠近原始钝裂纹尖端的区域，情况更接近平面应力而不是平面应变，是否会有所不同?当然，问题是，这是否会影响在初始裂纹位置之前几个板厚距离内的内聚能。
另一种假设可能是沿裂纹表面的残余压应力随着裂纹的扩展而发展，影响了裂纹尖端之前的力学行为。对于极短的颈缩区域，应力甚至可能在沿裂纹表面的薄区域达到屈服极限。这可能会对颈缩区域的应力和应变产生影响，从而影响失效过程。
我的最后一个假设候选是在裂纹扩展开始之前，裂纹尖端的旋转非常大。在线弹性模型和小应变理论中，旋转在裂纹扩展开始之前变得无界。刘、金洛克、威廉姆斯和同事也报告了类似的现象。观察到，与双材料胶粘剂相邻的材料的严重旋转导致了错误的内聚能校准。这是否与较低的内聚能有关?我猜这意味着在原始裂纹尖端位置周围的区域分辨率不足。
还有其他的想法吗?或者，更好的是，有人已经知道为什么裂纹扩展开始后的粘结能非常小了吗?
每斯塔尔
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韧性撕裂时的内聚性能
粘性能与裂纹尖端位置的关系有许多有趣的方面。在讨论细节之前，重要的是要注意，考虑板的尺度禁止使用精细尺度分辨率的详细数值分析和先进的本构模型，这将允许准确地表示断裂过程。一般来说，大型结构必须使用特征面内长度大于板厚的板壳单元进行分析。标准壳体单元无法捕捉颈缩定位和随后的微机械损伤和断裂的细节。在颈缩开始之后的复杂行为是通过一个内聚区来解决的，该内聚区必须表示失效过程的顺序，包括r曲线行为。
在本文所考虑的板(t=10mm, Al5083-H116)的情况下，初始缺口尖端厚度方向上的高度约束阻止了全颈发展限制塑性耗散。由于壳体单元处于平面应力状态，厚度效应无法由壳体单元解决，而实际上缺口尖端近似处于平面应变状态(对于该板)。初始缺口尖端的厚度效应只能通过降低初始内聚能来解释。对于考虑的板材，校准的最小内聚能接近材料的名义平面应变韧性(33kJ/m2 vs. 27 kj / m2)．因此，初始尖端内聚能的降低是由厚度方向约束引起的，这在用于大型结构部件的离散化水平上无法解决。
从粘聚区标定的角度来看，事实证明最小内聚能近似等于标称材料平面应变韧性提出了一个问题:初始内聚能是否与平面应变韧性相关每)?初始(最小)内聚能将根据尖端几何形状和参考塑性区大小Rp的板厚而不同．对于较薄的板材，最小内聚能可能高于材料平面应变韧性。这表明，平面应变韧性不能普遍地作为最小内聚能，而与平板和缺口几何形状无关。然而，平面应变韧性确实为初始凝聚能提供了一个下界。
裂纹发展的初始阶段是高度三维的，裂纹通常在约束最高的中心发展得更快。在裂缝发展到这一初始阶段后，一个完整的颈发育，剪切局部化导致倾斜裂缝。这对应于获得比平面应变韧性大得多的稳态韧性(就像考虑的板的情况一样)，因为颈部有很大的塑性耗散。我们的分析建立在Kim Nielsen和John Hutchinson (K.L.尼尔森，J.W.哈钦森，韧性金属板撕裂的粘性牵引-分离规律;Int．J．冲击工程；48， (2012)， p. 15-23)表明稳态韧性可以在不考虑裂纹推进初始阶段复杂性的情况下估算。
残余压应力可能影响裂纹尖端之前的材料行为的建议是有趣的。在板响应的大规模计算中，稳态内聚带参数是根据Kim Nielsen和John Hutchinson进行的精细计算(见上文参考)校准的，没有考虑残余应力。这表明残余应力对稳态韧性的影响不显著。在裂缝发展的初始阶段，即在达到稳态之前，很难完全消除这种影响。然而，我确实认为这种影响是可以忽略不计的，至少在宏观上是如此。
我认为大旋转问题尤其适用于复合材料层间韧性的双悬臂(DCB)模式测试。通常情况下，DCB臂相对灵活，这导致它们在测试过程中产生较大变形，并在尖端产生较大旋转。这在韧性测量中造成了重大误差。在I型张力的大板的情况下，例如在本文中分析的，这种效应不发挥显著作用。平板“臂”非常大，在裂纹推进之前，它们在初始缺口周围的变形相对较小。此外，复合材料中的r曲线行为通常归因于光纤从DCB的一侧桥接到另一侧，穿过前进的裂缝，这是一个非常不同的机制，增加大延性板的塑性耗散。
另外，我们应该提到，虽然模拟断裂过程的细节不是我们论文的目标，而且我们表明这些细节对宏观行为无关紧要，但观察甚至模拟这些细节是可能的，包括“裂纹翻转”的机制。DTU的Kim Nielsen最近对此进行了调查。a . El-Naaman, K.L. Nielsen，板材I型韧性撕裂的观察;欧洲力学杂志A/固体42 (2013)54-62;k·l·尼尔森和c . GundlachI型撕裂下裂纹尖端翻转:x射线断层扫描研究-正在审查中)。用数值方法研究了裂纹翻转现象美国海军水面作战中心卡德罗克分部的肯·纳森和杰西卡·迪贝尔卡。
亲爱的帕维尔,
亲爱的帕维尔,
谢谢你的意见。非常有益的。有趣的是，在裂缝最初几厘米的扩展过程中，只需要很少的能量，这是一个很快就会被解释的现象。当我在80年代中期写我的博士论文时，我在弹塑性环境中使用了内聚区模型，以观察过程区如何与周围连续介质相互作用，从而给出稳定的裂纹扩展。当时我设想工艺区的屏蔽仅仅是由于塑性功的能量耗散造成的。显然，还有更多的事情要做。
频繁的裂缝翻转也很有趣。我看到它发生在大约10t之后，这个距离或多或少等于稳定状态之前的初始阶段的长度。有趣的是，有几个正在进行的项目，甚至有些目前正在审查中。我期待看到结果。当他们出现时，我会更新这个博客。
我也会
”“我知道在10吨左右就会发生这种情况
我期待看到结果。
当他们出现时，我会用正确的参考资料更新这个博客。
”
我也会的。
谢谢你们，欧洲人，美国人，非洲人，全世界的人!
——特
(E&OE)