内聚力模型研究现状

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内聚力模型是一种假想的模型，将裂缝的产生假想在内聚力单元里，通过研究内聚力与位移的关系来验证内聚力模型的非线性本构关系。内聚力模型是一种虚拟的裂缝模型，只要通过试验得到所需要的力学性能指标，再输入到内聚力模型参数中，就能实现对实际结构构件在各种环境、荷载作用条件下裂缝产生与扩展的模拟[2]。通过ABAQUS有限元软件，就能实现对脆性破坏材料的裂缝扩展的模拟。87490

目前为止，对裂缝扩展的研究，可以从两个不同的观点作出判断。第一个观点从应力强度考虑，认为裂缝尖端存在着一块应力场区域，用场强度因子的来表示，只要施加的应力超过这个值，裂缝尖端区域就会发生失稳破坏，从宏观表现就是产生裂缝[3]。第二个观点从能量的角度考虑，裂缝尖端每产生一段位移，都需要能量的消耗，如果施加的能量超过裂缝本身所需要的能量，那么多余的能量就会使得裂缝不断的扩展。这两种观点是相互联系的，但不完全等效，而且也是内聚力模型研究裂缝的基本假定。这就是后面要介绍的断裂能和开裂强度，这些宏观参数与材料参数结合在一起，便是一个新的概念——断裂韧度，断裂韧度是材料产生裂缝的一个极限状态，只要达到这个值，裂缝就会产生[4]。当裂缝尖端存在塑性形变时，线弹性理论就不适用了，论文网因此引出一个与路径无关的——J积分。但是，在裂缝扩展过程中，当裂缝尖端附近的能量由塑性转变成显著的非弹性能时，J积分的优势也就失去了。另外，传统的断裂力学分析中预先设置一个无限“尖"的裂缝，从而导致裂缝尖端场的奇异性。然而，在实际材料中，既不存在无限“尖"的裂缝，裂纹尖端的应力水平也不是无限的。所以，在没有宏观裂缝存在的情况下，用经典的断裂力学来描述混凝土的开裂是有困难的。对于这种情况，线弹性断裂力学已经不再适用，需要由非线性断裂力学方法来解决类似这样的问题。基于实际构件中裂纹尖端的应力不是无限大而是有限数值这一认识，为了克服经典断裂力学的缺点，Dugdale(1960) 和Barenblatt(1962)先后提出了内聚力模型(Cohesive Zone Model，简称CZM)的概念[5]，在该模型中，一般认为在裂缝产生的尖端存在一段很小的所谓的内聚区，在内聚区里，沿着裂缝上下表面的分子或原子存在一种相互作用力，称为内聚力，且内聚力的大小与裂缝的相对位移有关,不同的内聚力-相对位移关系对应着不同的内聚力模型。Barenblatt首先对脆性材料进行了考察实验。Dugdale对塑性材料进行了相关研究。Hillerborg等(1976)延伸了CZM的概念，将其应用于水泥混凝土，并提出了虚裂纹模型(Fietion Crack Model，简称FCM[6])。Needleman最早提出使用内聚力-位移关系来研究金属中颗粒的分离。Espinosa最早提出使用双线性模型解决模型中的屈服问题。Tvergarrd使用梯形CZM研究了弹塑性材料的裂缝扩展问题。C。Shet使用CZM分析了结构在破坏过程中的能量平衡问题，Hillerborg将CZM应用于水泥混凝土中，模拟了水泥混凝土裂缝扩展过程。