[论文解读] Dynamics and structure of interfacial crack fronts

Knut Jørgen Måløy, Renaud Toussaint+1 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Nov 1, 2006

Earthquake Detection and Analysis被引用 5

一句话总结

本研究利用高速CCD成像技术，测量局部裂纹前沿速度，研究了透明有机玻璃块中界面裂纹前沿的动力学与结构。结果揭示了高于平均速度的局部速度涨落呈幂律分布，且沿裂纹前沿平行与垂直方向的爆发活动尺度不同，表明裂纹扩展过程中存在自组织临界性。

ABSTRACT

The propagation of an interfacial crack front through a weak plane of a transparent Plexiglas block has been studied experimentally. A stable crack in mode I was generated by loading the system by an imposed displacement. The local velocities of the fracture front line have been measured by using an high speed CCD camera. The distribution of the velocities exhibits a power law behavior for velocities larger than the average front velocity with a crossover to a slowly increasing function for velocities lower than . The fluctuations in the velocities reflect an underlying irregular bursts activity with a power law distribution of the bursts. We further found that the size of the local bursts scales differently in the direction parallel to and perpendicular to the fracture front.

研究动机与目标

• 理解异质材料中界面裂纹前沿的时空动力学。
• 量化裂纹前沿沿线的局部速度涨落及其统计分布。
• 研究裂纹扩展过程中局部爆发事件的标度行为。
• 确定所观察到的动力学是否反映自组织临界性或其他潜在机制。
• 分析爆发大小相对于裂纹前沿方向的各向异性标度。

提出的方法

• 采用具有预存在界面裂纹的透明有机玻璃块，在I型加载条件下进行实验。
• 施加受控位移以实现稳定裂纹前沿的传播。
• 利用高速CCD相机以高时间和空间分辨率记录裂纹前沿运动。
• 从时间分辨的图像序列中提取裂纹前沿线上各点的局部速度。
• 采用幂律拟合与标度分析，对速度分布和爆发事件进行统计分析。
• 比较裂纹前沿平行与垂直方向上爆发大小的标度行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 局部裂纹前沿速度的统计分布是什么？是否表现出幂律行为？
• RQ2 速度涨落如何与裂纹扩展中的局部爆发事件相关联？
• RQ3 局部爆发的大小在平行于裂纹前沿与垂直于裂纹前沿的方向上是否表现出不同的标度行为？
• RQ4 爆发的标度行为对裂纹扩展过程的潜在动力学意味着什么？
• RQ5 所观察到的行为是否与自组织临界性或其他临界现象一致？

主要发现

• 局部裂纹前沿速度的分布对于高于平均速度<v>的速度部分表现出幂律尾部。
• 对于低于<v>的速度，分布转变为缓慢增加的函数，表明存在不同的动力学状态。
• 速度涨落与局部爆发事件相关，且爆发事件的大小服从幂律分布。
• 爆发大小在平行于裂纹前沿方向与垂直于裂纹前沿方向的标度行为不同，表明存在各向异性动力学。
• 幂律行为与爆发统计特征表明，裂纹扩展过程可能受自组织临界性支配。
• 实验结果表明，裂纹前沿动力学本质上具有异质性，并表现出长程时空关联。