动态断裂力学是一门研究材料和工程结构在高速加载或裂纹高速扩展条件下的裂纹扩展与断裂规律的学科。它属于固体力学的一个新分支,与传统的静态断裂力学不同,动态断裂力学必须考虑因加速度导致的质量所产生的惯性力。随着科技的发展,特别是对高速加载和高速裂纹扩展条件的研究需求,动态断裂力学成为了一个极为活跃的研究领域。
在动态断裂力学中,研究的主要内容包括动态断裂判据、裂纹快速扩展的极限速度、裂纹扩展中的能量转换、裂纹顶端附近的应力场和应变场、应力波与裂纹扩展的相互影响、高应变率条件下材料特性的影响以及动态断裂力学参量和固体微观机制的联系。
动态断裂判据是判断动态断裂现象是否出现的依据,它包含在动载条件下裂纹的起始和失稳扩展判据、快速扩展裂纹支裂判据和止裂判据等。裂纹快速扩展的极限速度是研究裂纹扩展能达到的最高速度。在裂纹快速扩展过程中,材料内部会发生能量转换,这一转换过程也是动态断裂力学关注的重点。
裂纹顶端附近的应力场和应变场研究对于了解裂纹扩展机制具有重要意义。应力波和裂纹扩展的相互影响是动态断裂力学中一个复杂且重要的话题,应力波的传播、反射和弥散会对裂纹扩展产生显著影响。在高应变率条件下,材料的特性会发生变化,这些变化如何影响高速扩展裂纹的阻力是研究的又一焦点。
动态断裂力学参量与固体微观机制的联系,通过实验和理论分析,揭示宏观断裂行为与材料内部微观结构之间的相互关系。
动态断裂现象通常发生于短暂的瞬间,因此研究上存在很多困难。目前断裂力学的研究主要分为两个方面:理论分析和动态实验。在理论分析方面,研究者试图通过建立连续体基本方程和材料的本构方程来描述动态断裂现象。这些方程由于动态断裂问题的复杂性,求解起来相当困难,目前只有少数简单问题能够找到完全或近似的解析解。为此,近年来发展起来的动态数值计算方法在计算方法上扩大了解决问题的范围,如动态有限元法、动态有限差分方法和动态边界元方法等。
动态实验方面,由于应力波在有限尺度构件中的传播、反射和弥散,理论解析研究变得十分困难,实验方法因而成为研究断裂问题最有效的手段。动态光弹性法、全息干涉法、动态云纹法和利用Hopkinson压杆原理改进和发展各种动态试验装置的方法,都是动态实验中常用的技术。
动态光弹性仪是动态实验中常用的仪器之一,通过它可以拍摄到动态等差线图,帮助研究者获取裂纹顶端附近的应力场信息。需要注意的是,因为动态等差线会由于运动裂纹与应力波的相互作用而发生畸变,所以对动态近场数据的测量要尽可能靠近裂纹顶端,以提高数据的准确性。
Hopkinson压杆是一种可以研究各种真实材料的断裂现象,尤其是动态加载启裂问题的有效实验设备。在动态断裂研究方面,我国的研究单位虽然数量不多,但已经取得了相当的成就,有的成果已经达到了国际先进水平。
国内某大学工程力学研究所孙燕君教授领导的工程断裂研究室,在动态断裂力学领域做出了重要贡献。他们发表了多篇论文,并在1982年4月首次证实了动态曲裂判据,该判据是复合型高速裂纹扩展问题中的关键技术难题,具有很高的技术难度。孙燕君教授的研究团队不仅在理论研究上取得了突破,还在实验技术上有所创新,并得到了国际同行的认可。
在复合型载荷下裂纹顶端塑性问题的研究中,孙燕君教授及其团队提出了修正的Dugdale条带屈服模型,并通过大量聚碳酸酯材料的光弹实验数据分析验证了该模型,这一研究对理解和计算复合型载荷下裂纹顶端条带屈服的塑性行为有着重要的意义。通过理论与实验的结合,孙燕君教授的工作不仅推动了动态断裂力学的发展,还为实际工程应用提供了理论指导和技术支持。