基于微力学的变分相场模型:用于描述具有脆性拉伸与压缩延性行为的地质材料断裂

本文提出一个在不同加载条件下模拟准脆性地质材料失效的框架。提出了一个基于微力学的模型,其中场变量与微裂纹尺度的物理机制相关联:损伤与微裂纹的扩展相关,而塑性与闭合微裂纹的摩擦滑动相关。因此,进入自由能的硬化/软化函数与参数源于单一退化函数的定义与弹性材料属性。拉伸中张开微裂纹的演化导致脆性行为与I型断裂,而压缩/剪切下闭合微裂纹的摩擦滑动演化导致延性行为与II型断裂。摩擦滑动被赋予非关联定律,这是模型的关键方面,其考虑了膨胀效应并允许具有非零摩擦能量耗散的真实材料响应。尽管存在非关联定律,仍利用能量平衡与稳定性概念,遵循率无关系统的能量公式,给出了变分一致的表述。首先描述了模型的材料响应,随后给出数值实现流程与若干基准有限元模拟。结果凸显了模型描述拉伸、剪切及混合模式断裂,以及脆性-延性转变响应的能力。一个关键结果是,借助微力学论证,无需诉诸相场文献中常见的启发式修正即可捕捉真实失效模式。数值结果结合先前的数值研究、实验证据与分析断裂准则进行了深入讨论。