材料断裂内聚力定律测量方法的研究

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1、天津大学硕士学位论文材料断裂内聚力定律测量方法的研究ResearchonExtractionMethodsofCohesiveZoneLawsinMaterialFracture学科专业：固体力学研究生：刘赫指导教师：沈珉副教授天津大学机械工程学院2016年11月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意

2、。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日中文摘要近年来发展的内聚力模型（CZM）是模拟分析复合材料断裂、分层、脱粘和宏、细观损伤力学行为的重要工具，CZM的牵引——分离曲线可以描述复合材料内裂纹从萌生、扩展至断裂失

3、效的全过程。本文研究测量复合材料CZM参数的方法，是复合材料力学和断裂力学的重要课题之一。本文根据等效区域积分原理，推导了J积分、M积分及其交互积分的数值算法公式，编写Python程序，实现了上述围线积分的数值计算，用有限元模型验证了该方法和程序的准确性。以该算法为基础，本文提出了一种改进的直接测量法测取材料内聚力定律，该方法不依赖于传统方法中的梁理论计算公式，能够对试件在加载过程中的断裂韧性进行直接计算。在断裂力学的有限元数值模型中，用改进的直接测量法测取了双线性和指数型两种内聚力模型的牵引—分离曲线，并与数值解进行了比较，其结果相吻合，验证了该方法的可靠性。本

4、文将场投影法与数字图像相关方法(DICM)结合，提出了两种分别基于交互J积分和交互M积分的CZM参数的反解方法。用数字图像相关方法测量全场位移构成测量场，再施加均布载荷依次代替离散后的内聚力区牵引力，构成N个相互独立的数值辅助场，利用测量场与辅助场的交互J积分或M积分的守恒性质，建立反解内聚力区牵引力的方程组。本文用Python语言编写了这两种反解算法的程序，用紧凑拉伸断裂力学实验的有限元模型验证了这两种反解算法测取CZM牵引——分离曲线的可靠性。本文将改进的直接测量法、基于交互J积分和交互M积分的反解方法，用于20%和49%体积含量的随机短云杉纤维增强聚丙烯复合

5、材料紧凑拉伸实验，用三种方法分别测取了该材料的CZM牵引——分离曲线，结果比较表明：三种方法测取的CZM曲线变化趋势一致，内聚力强度、初始损伤和完全破坏等CZM参数接近，三种方法测取的牵引——分离曲线都能完整地描述内聚力区材料的力学行为。上述三种材料内聚力模型测量方法将为CZM模型在理论和工程分析中的应用提供实验依据。关键词：内聚力模型，等效区域积分，交互J积分，交互M积分，直接测量法，数字图像相关，随机短云杉纤维增强聚丙烯复合材料IABSTRACTInrecentyears,cohesivezonemodel(CZM)playsanimportantrolein

6、simulatingthecrack,delaminationanddamagemechanicalbehaviorincompositematerial.Thetraction-separationcurvecandescribethewholeprogressfromcrackinitiationtofracture.ExtractionmethodsofCZMparameters,animportanttopicinfieldsofcompositematerialmechanicsandfracturemechanics,werestudiedinthis

7、paper.Basedonthetheoryofequivalentdomainintegralmethod,anumericalalgorithmofJintegral，Mintegralandinteractionintegralwereprovidedinthispaper.TheywerecompletedbyPythonprogram,andverifiedinfiniteelementmodel.Animproveddirectmethodwasproposedtoextractthecohesivezonelaws,whichcanmeasureth

8、efrac