[论文解读] Numerical simulation of fatigue under diametrical compression
本研究采用二维离散元模型，模拟在对径压缩下无序材料的疲劳断裂，引入损伤累积与微裂纹愈合机制。结果表明，中等载荷下呈现幂律寿命标度，而低载荷下的愈合效应导致疲劳极限的出现，低于此极限则不会发生宏观断裂，与实验沥青结果定性相符。
We study the fatigue fracture of disordered materials by means of computer simulations of a discrete element model. We extend a two-dimensional fracture model to capture the microscopic mechanisms relevant for fatigue, and we simulate the diametric compression of a disc shape specimen under a constant external force. The model allows to follow the development of the fracture process on the macro- and micro-level varying the relative influence of the mechanisms of damage accumulation over the load history and healing of microcracks. As a specific example we consider recent experimental results on the fatigue fracture of asphalt. Our numerical simulations show that for intermediate applied loads the lifetime of the specimen presents a power law behavior. Under the effect of healing, more prominent for small loads compared to the tensile strength of the material, the lifetime of the sample increases and a fatigue limit emerges below which no macroscopic failure occurs. The numerical results are in a good qualitative agreement with the experimental findings.
研究动机与目标
- 理解沥青等无序材料疲劳断裂的微观机理。
- 在受控的模拟框架中，建立损伤累积与微裂纹愈合相互作用的模型。
- 重现并解释对径压缩下实验观察到的疲劳行为，特别是疲劳极限的出现。
- 研究不同载荷水平如何影响脆性异质材料的寿命标度与失效阈值。
提出的方法
- 扩展二维离散元模型，引入损伤累积与微裂纹愈合机制。
- 模拟在恒定对径压缩下的圆盘形试样，以模拟实验加载条件。
- 通过基于累积应变和愈合速率更新局部强度阈值，追踪微尺度与宏观尺度的损伤演化。
- 愈合被建模为受损单元强度的恢复，其依赖于载荷水平与时间。
- 通过调节损伤与愈合的相对影响，探索其对寿命与失效的联合效应。
- 寿命定义为发生宏观断裂前的载荷循环次数。
实验结果
研究问题
- RQ1施加的载荷水平如何影响无序材料在循环对径压缩下的寿命？
- RQ2微裂纹愈合作用于延长异质材料疲劳寿命的作用是什么？
- RQ3该模型中是否存在疲劳极限？若存在，其在何种条件下出现？
- RQ4损伤累积与愈合机制如何相互作用以决定宏观断裂？
- RQ5模拟结果在多大程度上重现了实验沥青中观察到的幂律寿命标度与疲劳极限？
主要发现
- 在中等载荷下，试样寿命与载荷大小呈幂律依赖关系。
- 在低载荷下——特别是低于材料抗拉强度时——微裂纹愈合变得显著，并显著延长寿命。
- 由于微裂纹的有效愈合，疲劳极限出现，低于此极限则不会发生宏观断裂。
- 数值结果与沥青疲劳断裂的实验观察结果具有良好的定性一致性。
- 损伤累积与愈合之间的相对平衡决定了寿命标度以及疲劳极限是否存在。
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