结合强度的脆性断裂相场模型比较：I —— 混合模式加载
材料科学
2025-02-10 v1
摘要
经典的变分脆性断裂相场模型能够有效预测大型预存裂纹的扩展。然而，裂纹形核的建模仍是一项重大挑战。均匀应力下的裂纹形核取决于材料的强度面，而强度面的描述与基于能量的 Griffith 扩展准则在根本上是不兼容的。为解决这一问题，出现了三种主要的相场方法，每种方法都试图调和材料强度与韧性。第一种是经典变分方法，它保留了变分结构，但无法准确纳入强度面。相比之下，另外两种方法——完整形核模型与混合内聚区模型——牺牲了变分一致性。其中，只有完整形核方法精确考虑了强度面。这三种方法，尤其是第二种，偏离了脆性断裂的尖锐变分理论，引发了人们对它们在预测非 I 型加载下裂纹扩展可靠性的担忧。本文正是针对这一问题进行评估。它是比较这三种方法系列研究的第一篇，系统研究了在 II 型、III 型和混合模式加载下的裂纹扩展。结果证实，完整形核方法在所有研究问题中均能有效预测裂纹扩展，且在以拉伸为主的工况下，其预测与其他两种方法吻合良好。此外，研究结果强调，经典变分方法中对强度面的不准确考虑会影响裂纹路径预测。最后，研究还揭示，在混合内聚区方法中修改裂纹驱动力以纳入强度面，会导致在错误的断裂韧性下发生裂纹扩展。
引用
@article{arxiv.2502.04487,
title = {A comparison of phase field models of brittle fracture incorporating strength: I -- Mixed-mode loading},
author = {Umar Khayaz and Aarosh Dahal and Aditya Kumar},
journal= {arXiv preprint arXiv:2502.04487},
year = {2025}
}