软、脆性和弱非线性弹性体的断裂和能量强度标度

ty10086 提交于 周三, 08/25/2021 - 17:26
文章英文标题
Fracture and Energetic Strength Scaling of Soft, Brittle, and Weakly Nonlinear Elastomers
正文
对软脆聚二甲基硅氧烷( PDMS )基弹性体的断裂和能强度标度进行了研究。用两种PDMS弹性体对不同尺寸的预裂纹试样进行了Ⅰ型拉伸断裂试验,其刚度、强度和韧性均有明显的变化。该结果是在现有的含能Ⅱ型Bazant尺寸效应定律( SEL )框架内解释的。SEL被发现适用于PDMS弹性体,尽管它的非线性应力应变行为。这是因为非线性相当弱,使得应变能近似与名义应力的平方成正比,类似于线弹性材料。研究发现,在实验室尺度下,两种弹性体的结构强度均与试件尺寸呈自相似的规律,落在SEL的大尺寸渐近线上,然后利用黏聚性裂纹模型对较小试件的强度进行数值预测。对于这两种弹性体来说,这些强度在SEL的过渡性部分正方形下降,意味着不完全的自相似性和向准脆性断裂的过渡。这是由于断裂过程区的主导性增加,其大小由各种方法估算。说明如果不考虑这种转变,对于较小的尺寸,结构强度可以超预期140 %甚至更高。因此,首次证明了软弹性体,如果是弱非线性的,符合能量Ⅱ型强度标度律。
文章内容(英文)
An investigation is presented into the fracture and energetic strength scaling of soft and brittle polydimethylsiloxane (PDMS)-based elastomers. Mode I tensile fracture tests on pre-cracked specimens of various sizes are carried out with two PDMS elastomers significantly varying in their stiffness, strength, and toughness. The results are interpreted within the existing framework of the energetic type II Bazant size effect law (SEL). The SEL is found to be applicable to the PDMS elastomers despite their nonlinear stress-strain behavior. This is because the nonlinearity is rather weak, making the strain energy approximately proportional to the square of the nominal stress, similar to linear elastic materials. It is found that at the lab scale, the structural strength of both elastomers scales in a self-similar fashion with specimen size and falls on the large size asymptote of the SEL. Then, the strengths of much smaller specimens are numerically predicted using the cohesive crack model. For both elastomers, these strengths are found to fall squarely on the transitional part of the SEL, implying incomplete self-similarity and a transition to quasi-brittle fracturing. This is due to the increased dominance of the fracture process zone whose size is estimated by various methods. It is shown that if this transition is not accounted for, the structural strength can be over-predicted by 140% or even more for smaller sizes. Thus, for the first time, it is shown that soft elastomers, if weakly nonlinear, exhibit conformance to the energetic type II strength scaling laws.
来源出处
Journal|[J]Journal of Applied MechanicsVolume 87, Issue 4. 2020.
DOI
https://doi.org/10.1115/1.4045903

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