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基于材料破坏过程探究可视化实验教学方法

2020-02-06 374 上传者：管理员

摘要：以混凝土材料为例，结合数字图像相关技术，基于材料破坏过程探究可视化实验教学方法，对该方法在劈拉与单轴压缩实验中的应用及其效果进行了综合分析。基于对混凝土劈拉与压缩破坏过程的监测，展示了混凝土材料劈拉与压缩破坏机理，对该材料破坏模式进行了分析。通过数字图像相关方法，实现了试件表面应变场分布的获取，并对材料破坏机理进行了验证，旨在得出更加实用的破坏强度理论。

关键词：
强度理论
混凝土材料
破坏机理
破坏模式
破坏过程
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部分力学课程内容涉及到了材料破坏，例如材料力学中开设了铸铁和低碳钢的扭转实验[1]，通过实验结果可以观察到低碳钢沿横截面破坏，铸铁在与轴线成45◦角的斜面上发生破坏。这种破坏形式与平面应力状态下斜截面上的应力分析结果是对应的，扭转时圆轴横截面上的切应力最大，与轴线成45◦角的斜面上的拉应力最大，而低碳钢的抗剪切能力较弱，铸铁的抗拉性能较弱，因而出现了上述破坏形式。断裂力学中经常会接触到裂纹的形成、分叉、扩展及聚合等现象[2]，若裂纹尺度较大，可以观察到某些破坏形式，但裂纹尺度较小、观察面范围较大或破坏过程较快，则不易于判断裂纹的起始位置及扩展路径，很难揭示材料的破坏机理。在讲授材料破坏的相关内容时，一般以破坏机理、破坏模式及相关的强度理论为重点，但学生并不能完全理解所学的内容与实际的材料破坏之间的对应关系。这就需要探索一种理论联系实际的有效途径，让学生将所学内容与实际情况相衔接。对此，可以搭建材料破坏过程监测平台，形成材料破坏过程可视化的实验教学方法，将材料的整个破坏过程展现在学生面前，使学生更形象地理解材料破坏模式与机理。

数字图像相关方法通过跟踪每一时间步时物体表面变形的散斑图像，获得对应位置点的位移向量，进而监测试件表面的全场变形，便于观测试件的整个破坏过程，观察破坏模式，捕捉裂纹起始位置与扩展路径。该方法已应用于材料、航空航天、医学及生物等多个领域的科学研究中，并取得了较好成果[3-6]。数字图像相关测量系统简单，便于安装应用，可与材料力学性能测试设备组合，搭建不同工况下材料破坏过程可视化实验平台。

本文以混凝土材料为例，结合数字图像相关技术与RMT-301混凝土力学试验设备，开展该材料的单轴劈拉与压缩实验，监测试件的整个破坏过程。采用数字图像相关方法获得轴向劈拉与单轴压缩条件下混凝土试件表面的应变场分布，结合RTM试验机得到的载荷随时间的变化规律进行材料破坏机理的讨论。

1、实验教学设备

实验教学设备主要包括RTM混凝土力学性能测试试验机与数字图像相关技术采集系统，如图1所示。混凝土劈拉与压缩试件采用标准试件，尺寸为150mm×150mm×150mm。

2、破坏过程与破坏模式分析

实验过程中采用位移加载方式，混凝土材料轴向劈拉试件破坏过程如图2所示。

当载荷达到峰值载荷时，试件表面并未见到明显的裂纹，随着位移的增大，试件中间部位首先出现裂纹，随后裂纹扩展、聚合，直至试件完全破坏。实验现象可以说明，劈拉条件下混凝土试件内部先出现裂纹，逐渐向表面扩展，破坏后试件从中心面位置劈裂成两部分，如图3所示。

图2混凝土劈拉试件破坏过程；图3混凝土劈拉试件断口图

超过峰值载荷后，混凝土试件的承载能力逐渐减弱，说明材料已出现损伤，而载荷达到最大值时，混凝土试件表面未观测到明显裂纹，说明混凝土材料的这种损伤源于内部裂纹形成或扩展。为进一步说明该结论，采用数字图像相关方法对不同时刻下试件表面散斑图片进行处理，得到混凝土劈拉试件表面应变场分布云图，如图4所示。由图可知，达到峰值载荷时，试件表面局部区域出现了应变集中现象，但应变较小，表明在这个位置会出现开裂。随着位移的增大，数字图像相关方法结果显示该位置应力集中现象更明显，且出现了一条主裂纹，裂纹处应变增大，但肉眼不易观察到这条主裂纹。位移继续增大，主裂纹处应变明显高于其他区域处应变，肉眼已可以观测到该条裂纹，直至完全破坏，试件失去承载能力。图5为混凝土单轴压缩试件破坏过程，加载过程中试件表面开始出现裂纹，随后裂纹开始扩展，形成较明显的宏观裂纹，并在其他位置开始出现裂纹。但此时试件的承载能力仍然在持续增加，当多个裂纹扩展到一定程度时，载荷达到峰值，此时试件表面已出现肉眼可以分辨的裂纹。随着裂纹的扩展和聚合，混凝土试件的承载能力逐渐减弱，直至破坏，试件多个部位同时脱落，呈碎块状。图6为数字图像相关方法获得混凝土压缩试件表面应变场分布云图。裂纹开裂位置同样对应明显的应变集中现象，并由此处开裂，裂纹扩展路径与应变图中的应变集中区域相对应，即使在多条裂纹形成或扩展时，在应变云图中仍可以很好地体现出相应的位置。混凝土单轴压缩破坏机理为多裂纹扩展导致失效，裂纹开裂位置具有随机性，但应用数字图像相关技术可以监测材料的破坏过程，预判裂纹起始位置和扩展路径。

图4混凝土试件劈拉破坏过程应变分布云图；图5混凝土劈拉试件破坏过程；图6混凝土试件压缩破坏过程应变分布云图

3、破坏机理与强度理论

混凝土破坏过程与应变场分布结果显示，劈拉条件下裂纹始于试件内部，逐渐向表面扩展，主裂纹形成、扩展导致混凝土失效；单轴压缩时混凝土试件中多条裂纹形成、扩展、贯通引起材料失效。可见，混凝土材料在两种载荷形式下的破坏机理截然不同。由两种工况下混凝土试件表面应变分布云图可知，混凝土材料破坏前，垂直载荷方向的拉应变已出现明显的应变集中现象，所以该材料的单轴劈拉与压缩破坏均符合材料力学的第二强度理论，即最大伸长线应变理论。

4、结论

结合数字图像相关技术，组建材料力学性能测试实验系统，形成材料破坏过程可视化的实验教学方法。此种教学方法让学生直接观测材料的破坏过程与破坏模式，深入了解材料的破坏机理。本文以混凝土劈拉与单轴压缩实验为例，介绍了数字图像相关方法的应用及其测试效果。数字图像相关方法可以监测材料的整个破坏过程，给出试件表面的应变变化规律，为学生提供联系材料破坏模式与强度理论的可视化平台。数字图像相关方法测试结果显示，轴向劈拉与单轴压缩状态下混凝土材料的破坏机理不同，但破坏前，垂直载荷方向的拉应变都会出现明显的应变集中现象，均符合最大拉应变理论。在此过程中，学生能够观察到明显的应变集中现象，与教材中的材料破坏强度理论建立直接联系。这种教学方法不仅适用于力学课程，也可以扩展到材料类课程教学中，提高教学效果。

参考文献：

[1]孙训方,方孝淑,关来泰.材料力学(第4版).北京:高等教育出版社,2002.

[2]徐世烺.混凝土断裂力学.北京:科学出版社,2011.

[3]张顺庆,高晨家,张龙.数字图像相关技术在应力应变测量中的发展与最新应用.影像科学与光化学,2017,35(2):193-198.

[4]苏勇,张青川,伍小平.数字图像相关技术的一些进展.中国科学:物理学力学天文学,2018,48(9):094604.

[5]马涌上,陈卫忠,杨典森等.基于三维数字图像相关技术的脆性岩石破坏试验研究.岩土力学,2017,38(1):117-123.

[6]房亮,唐兆琛,杨福俊等.数字图像相关方法在鼻孔泡沫铝压缩试验中的应用.实验力学,2008,23(2):162-168.

孔德文,王玲玲.材料破坏过程可视化实验教学方法研究[J].力学与实践,2019,41(2):206-209.