重组竹Ⅰ型断裂性能的试验研究
摘要：重组竹（PSB）是一种优质的木质竹复合材料。由于开裂导致的破坏是建筑结构的PSB部件设计中的主要问题。研究了PSB复合材料的I型断裂性能。测试方法采用楔形分裂方法，进行数值分析以确定合适的试样尺寸，从而可以获得有效的断裂韧性。根据等效线弹性断裂力学（LEFM）理论评估R曲线。发现断裂韧性试验的初始裂纹深度比应小于0.4。PSB的断裂韧性高于常用木材，其断裂行为相似，表现出准脆性。PSB的R曲线表现出上升行为，直到达到临界裂纹长度。然而，峰后R曲线表现出下降行为，与准脆性材料相反，后脆性材料在峰后裂纹扩展中呈现平台。
关键词：断裂;断裂韧性;R-曲线;能量释放率;竹复合
- 引言
重组竹（PSB）是一种由竹股制成的木质竹基复合材料。为了制造PSB，首先将竹秆切成长约2米，宽15毫米，厚2毫米的条，然后在80℃烘箱干燥直至含水量低于11％。最终产品是通过将条带压平成细股线，用酚醛树脂浸泡它们，并在高压下以平行方式粘合它们而制成的。由于竹股沿纵向平行铺设并沿横向均匀排列，因此消除了生竹中纤维的梯度分布;因此，在宏观意义上，PSB可以合理地处理为横向各向同性复合材料。PSB具有优异的机械性能，其产品非常适合用作建筑材料（Huang等，2013,2015a，b）。
由于股线或竹纤维的尺寸多样性，在制造过程中，股线或纤维的界面之间的一些间隙不能完全封闭。因此，微孔和细裂纹随机散布在PSB复合材料中。一旦PSB组件被加载，这些微孔将聚结并膨胀以形成裂缝。因为纤维的强度远高于基质的强度，所以这些裂缝通常沿平行于晶粒方向传播并导致模式-I或模式-II或混合模式断裂，取决于组件的加载响应。因此，由于裂纹扩展引起的破坏是PSB部件设计中的主要问题。在未来的设计中，应将结构和断裂特性引入PSB部件的破坏标准。为此，目前的工作旨在研究PSB复合材料的I型断裂性能。采用楔形劈裂法研究了PSB复合材料的断裂韧性和破坏机理。
处理均质各向同性材料和各向异性复合材料的常规断裂力学的应用始于设计木材中的承重结构（Hearmon 1969）。特别是早期的飞机结构包含木材，因此对计算孔周围的应力集中系数非常感兴趣（Williams 1989）。通过将Lekhnitskii的方法（Lekhnitskii 1963）扩展到各向异性介质的断裂分析，Sith等人（1965）开发了一个模型来分析无限大片中边缘或中心裂缝的近尖端场。分析得到了近端应力和位移场的闭合解以及这些情况下的应力强度因子（SIF）和能量释放率。根据西斯的理论（Sith等，1965），应力强度因子可以通过裂纹尖端周围的轮廓积分来确定。然而，在大多数情况下，含有裂缝的介质不能被视为无限体，因为裂缝的尺寸不够小。这些情况下的近尖端场受到尺寸和远程条件的强烈影响，并且由于数学上的复杂性而难以确定。类似于威廉姆斯（1957年，1952年）对各向同性材料的研究，西斯的近尖端场的公式只有理论意义。然而，Sith提出的近尖轮廓积分J与应力强度因子K之间的关系实际上可用于评估具有各种构造的各向异性介质的应力强度因子。
由于难以确定裂纹的近尖端场，因此能量法被广泛接受用于评估线性断裂力学中的应力强度因子。基于Griffith（1920）提出的能量平衡理论，Iwrin（1956）定义了一种称为能量释放率的量度，用于量化裂纹扩展过程中单位面积的能量平衡。Rice（1968）研究了裂纹尖端周围的能量流动，并为能量法评估断裂韧性提供了依据。这种方法被称为J积分方法，在各向异性和各向同性材料中都取得了巨大成功。J积分方法提供了一种直接的实验方法，用于评估从其定义得到的J作为具有裂缝长度的势能变化率。为了估算能量释放率，开发了一些方法来评估断裂韧性而不涉及近尖端场（Anderson 2005）。这些方法中最常见的程序可以是双悬臂梁（DCB）测试。通过改变两个悬臂的加载条件或长度比，可以测试DCB样品的模式I，模式II和混合模式故障。对于模式I测试，DCB样品的能量释放速率可以从光束理论推断。DCB测试的优点是显而易见的，因为许多棘手的问题，例如裂纹尖端的奇异性，材料的各向异性以及裂缝长度的严格测量，都被忽略了。就PSB复合材料而言，材料刚度与金属材料相比要低得多，这导致DCB测试中的大变形并因此导致错误地估计能量释放速率。
由世界上最主要的断裂试验标准推荐的紧凑试样测试，例如美国标准，ASTM E 399（2013）和英国标准BSI 12737（1999），是DCB模式-I断裂的通常可接受的替代测试方案。紧凑的试样测试方法对脆性特别有吸引力。
由于裂纹扩展通常是稳定的，因此可以记录载荷-COD曲线。ASTM E 399（2013）中提出了各向同性材料的裂缝长度比的测试程序和应力强度因子。楔形分裂方法是紧凑测试方法的修改。由Tschegg和Linsbauer（1986）提出，它是一种非标准的断裂试验策略，它通过在准备好的裂缝中施加尖锐的楔形以引起I型断裂，为紧凑的试样引入一对开启力。在测试期间，楔形产生垂直于裂缝面的开启力，迫使裂缝传播和平行于裂缝方向的垂直力，从而稳定裂缝生长。该方法具有一些突出的优点（Stanzl-Tschegg等，1995）。首先，它是一种非常稳定的测试方法，样品紧凑。而且，样品的几何要求不是很严格。该方法最吸引人的特点是它特别适用于测试准脆性材料，如木材和竹子复合材料。考虑到楔形劈裂方法的优点，本文研究了PSB复合材料的Ⅰ型断裂性能。
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