脆性材料中动态裂纹传播问题的研究

---

文档主要内容

脆性材料中动态裂纹传播问题的研究（论文/研究报告）
适用人群：从事脆性断裂力学、动态裂纹传播数值模拟的研究人员及工程技术人员。

该文档基于大型有限元软件ABAQUS平台，利用内聚力模型（cohesive model）开发用户接口子程序（VUMAT），系统模拟了脆性材料PMMA板的动态裂纹传播行为。研究聚焦于裂纹传播速度的率相关特性、速度振荡现象以及裂纹与孔洞的相互作用机制，为理解脆性材料高速断裂过程提供了关键数值与实验依据。

核心内容与关键数据：
1. 在相同载荷条件下，采用率无关内聚力模型模拟得到的稳定裂纹传播速度远高于实验实测值；而率相关内聚力模型能够较好地模拟裂纹传播行为，模拟结果与实验基本一致。模拟获得的裂纹传播速度上限为665±20 m/s，下限为235±10 m/s。这表明对于脆性材料PMMA，必须考虑裂纹尖端张开位移变化率，该参数能有效反映裂纹高速传播过程中的耗能机制。
2. 针对裂纹在矩形带板中传播时出现的时而加速、时而减速的物理现象，采用等腰梯形板试样进行动态裂纹传播实验。结果发现：裂纹从小端向大端传播时呈现先加速后减速的规律，而反向传播则表现为持续加速。数值模拟结果与实验现象定性一致，揭示了裂纹传播速度的振荡机制。
3. 通过实验与数值模拟初步研究了传播裂纹与孔洞的相互作用。低载荷下，裂纹遇到孔洞会发生止裂；中等载荷时，裂纹经过孔洞先停留，随后重新起裂并高速传播，且止裂前与再起裂后的裂纹传播速度基本一致；高载荷下，裂纹直接穿过孔洞。数值模拟与实验结果定性统一。

该文档解决了脆性材料动态裂纹传播中速度预测不准、速度振荡机理不明以及裂纹与缺陷相互作用规律不清等实际问题，为工程结构抗断裂设计、材料动态性能评估提供了可靠的模拟方法与实验参考。全文基于严谨的数值模拟与实验对比，结论明确，数据可靠，适合作为相关领域研究的重要参考资料。