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三维情况下陶瓷材料升温热冲击损伤断裂行为的相场方法数值模拟研究

热冲击; 陶瓷; 相场方法; 断裂; 有限元

      陶瓷材料以其固有脆性，热冲击是造成其破坏的主要原因之一。目前实验研究手段难以比较全面地揭示陶瓷材料在热冲击过程中的裂纹形核与扩展过程及其控制机理，因此，常采用数值模拟的方法直接对陶瓷材料的热冲击行为进行模拟。然而边界元法、扩展有限元法和非局部方法等需要基于断裂力学的裂纹形核与扩展准则，但在三维复杂热冲击下的裂纹扩展准则通常难以获得。因此，本文建立了陶瓷材料热冲击断裂的热/力耦合相场断裂模型，其中，模型以基于力热能量密度等效原理得到的温度相关性临界失效能密度为相场损伤演化判据；同时，为了消除裂纹以外区域的损伤演化，在模型中引入了与材料强度密切关联的温度相关断裂能阈值。结合有限元方法，深入研究了三维情况时不同热环境下陶瓷材料的升温热冲击损伤断裂行为，所得模拟结果的裂纹形态与实验所得到结果十分相似，结果准确地反映了裂纹的起始位置、主要裂纹的数目和扩展速度等关键性特征。