重组竹非线性断裂性质特征物理量与断裂破坏准则研究

The inevitable existence of initial cracks in parallel strand bamboo (PSB) due to gluing often leads to the failure of PSB components in structure prior to the yielding of material. The estimation of ultimate load-carrying capacity and deformation of fracture failure dominated PSB components needs the technique of fracture analysis..The fracture of PSB exhibits strongly nonlinear characteristics. The physical quantities, such as stress intensity factor, R-curve as well as the associated J-integral and critical R value, which involve in brittle or perfect-elastoplastic-based nonlinear fracture analysis, no longer hold the analysis of PSB fracture problems. .This project aimed at developing a model to solve the nonlinear field of crack-tip, studying the stress energy density (SED) in near-tip field and the energy dissipation in fracture process zone (FPZ). PSB is treated as orthotropic composite based on the view of macro fracture mechanics. The characteristic physical quantities for fracture property estimation and the failure criterion will be studied on the bases of nonlinear fracture analysis and standard test programs. The fracture-property quantity and failure criterion associated with SED or FPZ energy dissipation will be proposed.

重组竹在胶合过程中不可避免地会在材料内部留下一些细微裂纹。构件受力时，这些初始裂纹扩展引起的断裂破坏往往导致重组竹构件在低于材料强度的情况下丧失承载力。这种由断裂破坏控制的重组竹构件极限承载力与变形计算，需要采用断裂理论方法。. 重组竹断裂破坏具有明显的非线性断裂特征，脆断理论和理想弹塑性断裂理论定义的断裂性质特征物理量，如应力强度因子、断裂阻力曲线以及与之相应的J积分、临界阻力等，均不适用于重组竹的断裂分析。. 本项目基于宏观断裂力学理论，将重组竹理想化为正交异性材料，采用非线性断裂分析和标准断裂试验，针对表征重组竹非线性断裂性质的特征物理量与断裂破坏准则开展研究，重点解决重组竹裂纹尖端场及其求解、尖端场应变能集度与尖端损伤区的能量耗散规律等科学问题。通过研究，给出重组竹裂纹尖端场与重组竹断裂性质特征物理量，建立以应变能集度或裂纹尖端损伤区能量耗散为基础的重组竹断裂破坏准则。

重组竹构件极限承载力与变形计算由断裂破坏控制，且重组竹断裂破坏具有明显的非线性断裂特征。故针对重组竹非线性断裂破坏机理，建立含裂纹重组竹构件的极限承载力与变形计算方法，是工程竹结构设计理论亟待解决的关键科学问题。.本项目针对以下内容开展了系统研究：（1）包含裂纹尖端损伤区（FPZ）在内的重组竹裂纹尖端场及其求解方法；（2）表征重组竹断裂性质的特征物理量；（3）重组竹断裂破坏准则。通过试验研究和理论分析，取得了以下主要成果：.（1）建立了基于内聚力模型的I型、II型裂纹尖端场的解析解、裂纹尖端损伤区（FPZ）尺度和断裂能计算方法，给出了相应的计算公式。.（2）基于DIC光测系统、高速摄像系统和图像分析方法，研制了材料裂纹动态观测分析系统。该系统可通过断裂试件全场应变动态观察，追踪裂纹萌生和扩展过程，直接得到荷载-裂纹长度曲线并计算断裂能。.（3）构造了I型裂纹尖端场变分泛函，得到了裂纹尖端场近似解析解，给出了楔形试件I型断裂能计算公式。.（4）给出了重组竹I型、II型断裂能与初始裂纹长度、试件宽度之间的关系。.（5）建立了以断裂能表征的重组竹I型、II型和I+II混合型断裂破坏准则。.（6）建立了重组竹顺纹和横纹抗压强度、弹性模量折减系数与温度关系的经验公式，该公式适用于工程用重组竹高温受压性能参数的计算。.通本项目的研究成果，可为重组竹非线性断裂分析与工程竹结构极限状态设计提供理论依据。