基于近场动力学的单晶冰弹性各向异性数值模拟方法

天然冰材料在变形与破坏行为上的各向异性特征是冰与结构相互作用中产生复杂载荷过程的关键诱因,而天然冰各向异性的根源则在于单晶冰的各向异性.目前,学术界针对单晶冰各向异性的数值模拟方法研究仍较为缺乏.为了准确再现天然冰材料的特殊力学性质,本文基于近场动力学理论,提出了一种单晶冰弹性各向异性的数值模拟方法.该方法的核心思想是将单晶冰杨氏模量沿不同加载方向的变化规律引入到近场动力学力密度向量的影响函数中.以前人实验测试得到的杨氏模量值为参考,通过开展与C轴呈0°,45°和90°三个加载方向的单晶冰单轴压缩数值模拟实验,提出了针对该影响函数的修正和辅助参数标定方法,最终在15°,30°,60°和75°等其他四个加载方向进行了验证.结果表明:本文提出的针对影响函数的修正与参数标定方法,能够较为便捷地找到数值模型杨氏模量与参考杨氏模量相一致的影响函数最优解,即本文提出的基于影响函数的近场动力学数值模拟方法,能够合理、准确地模拟单晶冰的弹性各向异性行为.本文研究成果可为后续多晶冰各向异性数值模拟方法的建立提供基础性参考.

松花江淡水单晶冰的韧脆转换和破坏机理研究

为了准确探究单晶冰的力学特性,制备了松花江单晶冰试样,通过三维数字图像相关法(3D-DIC)测量了在单轴压缩过程中的全场变形.在亚毫米尺度,基于基面滑移现象,探究了单晶冰的韧脆转换机理和破坏模式.松花江单晶冰的韧脆转换区间为3.0×10^(-4)~2.0×10^(-3) s^(-1),破坏模式和抗压强度体现出韧脆转换特性.在韧脆转换区间内发生劈裂破坏,抗压强度达到最大.当应变率低于3.0×10^(-4) s^(-1)时,基面滑移释放了大部分不均匀应力并发展成断裂面,发生韧性破坏.当应变率高于2.0×10^(-3) s^(-1)时,基面滑移对裂纹扩展方向的影响较小,发生碎裂破坏.等效弹性模量与应变率正相关.冰试样在达到峰值应力后出现应变软化现象,应力下降率梯度和峰值随着应变率的增加而增加.