对不同预制裂纹长度的半圆盘实验进行有限元建模分析。图4－7 所示为预制裂纹长度为0.96 mm 时，实验及数值模拟得到的载荷－位移曲线。从图中可知，计算结果和实验结果吻合较好，说明黏聚裂纹模型适用于半圆盘弯曲实验的力学性能分析。......
2025-09-29
巴西圆盘实验的数值模拟探究
【摘要】：标准巴西实验试样为圆盘状，加载方式采用准静态径向加载。表4－4 所示为根据巴西实验和平台巴西实验结果拟合得到的弹性模量和断裂韧性。图4－16 所示为在裂纹出现后试样表面的X 方向拉应变的分布图，劈裂时刻中心点的应变为0.019 8，与DIC 方法测得的拉应变0.022 相差较小，说明该方法预测巴西圆盘实验是可行的。
标准巴西实验试样为圆盘状，加载方式采用准静态径向加载。如图4－12所示，试样两端采用钢制压头加载，下端固定，上端施加位移载荷，为了防止圆盘在加载过程中发生旋转，采用AU⁃TOMATIC－SINGLE－SURFACE 接触方法。表4－4 所示为根据巴西实验和平台巴西实验结果拟合得到的弹性模量和断裂韧性。
表4－4 不同温度条件下的PBX 参数统计
不同温度条件下巴西实验测得的及数值模拟计算得到的拉伸强度如图4－13所示，由图可以看出，数值模拟预测的拉伸强度与实验结果吻合较好，说明黏聚裂纹模型可以用于高聚物黏结炸药的拉伸性能研究。
图4－13 巴西实验中心点拉伸强度对比
图4－14 温度90 ℃时的裂纹扩展云图（见彩插）
（a）时刻1；（b）时刻2；（c）时刻3；（d）时刻4
图4－14 所示为模拟得到的温度在90 ℃条件下PBX 的裂纹扩展云图。由图可以看出，裂纹扩展过程是首先在邻近压头处材料开裂；其次在中心点附近的上、下表面首先发生拉伸破坏，然后向中心延伸发展，最后再向两端延伸。
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图4－15 温度90 ℃时X 方向位移云图（见彩插）
（a）时刻1；（b）时刻2；（c）时刻3；（d）时刻4；（e）DIC 测量结果
图4－15 （a）～（d）所示为计算得到的不同时刻X 方向位移云图，图4－15（e）所示为DIC 测量获得的X 方向位移图。由图可以看出，计算结果和DIC测量得到位移图相似，位移场分布与巴西实验理论位移场分布形式比较一致，最后在直径方向发生劈裂破坏。
图4－16 所示为在裂纹出现后试样表面的X 方向拉应变的分布图，劈裂时刻中心点的应变为0.019 8，与DIC 方法测得的拉应变0.022 （图4－16（d））相差较小，说明该方法预测巴西圆盘实验是可行的。同时，由图可以看到，应变的发展规律是从中心向两端逐渐加大，说明裂纹是从中心开始向两端扩展。
图4－16 90 ℃劈裂后X 方向应变图（见彩插）
图4－17 所示为温度90 ℃时时刻1 中心横截面及铅垂子午面上的X 方向应力云图，在三维条件下，横截面上的应力分布规律与二维条件下的情况十分类似，如图4－17 （a）所示X 方向应力等值线形状为“花苞形”，左、右对称。沿试样轴线作纵向剖面，可以得到纵向子午面上X 方向应力云图，如图4－17 （b）所示。由图可以看出，在纵切面上的应力分布上下对称；在水平方向上应力分布不均，越靠近试样表面，应力越大，而中心区域略小。在靠近压头位置有明显的压缩应力，这也解释了试样产生“V” 形缺口的原因。
图4－17 90 ℃时t1时刻X 方向应力云图（见彩插）
（a）中心横截面；（b）铅垂子午面
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