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具有倾斜裂纹的CTS试样三维断裂行为研究
摘要
本文研究了具有倾斜裂纹的CTS试样的三维断裂行为，使用有限元方法进行仿真分析。结果表明，倾斜角度对试样的断裂行为有显著影响，随着倾斜角度的增加，试样的断裂强度和韧性都呈现出先升高后降低的趋势；同时，倾斜裂纹的存在也导致了试样的应力集中和位移聚集，这也是导致断裂的主要原因之一。本研究的结果对于CTS试样的优化设计和实际工程中的应用具有一定的意义。
关键词：CTS试样、有限元方法、倾斜裂纹、三维断裂行为，应力集中、位移聚集
引言
CTS试验是通常用来评估混凝土的拉伸和压缩强度的标准实验方法之一。在CTS试验中，试样一般被制备为圆柱形或立方体形状，裂纹也被预先放置。近年来，学者们对CTS试样的断裂行为进行了深入的研究，并结合数值模拟方法来分析试样的力学行为。
然而，以往的研究大多关注试样的几何形状和裂纹长度等因素对断裂性能的影响，较少关注倾斜裂纹的影响。实际工程中，由于一些原因如制备时的误差等，裂纹往往是倾斜的。因此，进一步分析倾斜裂纹对试样断裂行为的影响，具有实际工程应用意义。
本文使用有限元方法对具有不同倾斜角度的CTS试样进行了仿真分析，研究了倾斜裂纹对试样的断裂性能、应力分布和位移分布的影响，探讨了倾斜裂纹的存在导致试样断裂的机制。结果可为CTS试样的制备和实际工程应用提供参考。
理论分析
CTS试样一般被制备为圆柱形或立方体形状，内部包含预置的裂纹。在拉伸测试中，试样沿裂纹方向施加拉应力，考察其破裂强度和韧性。
本文考虑CTS试样中的倾斜裂纹，之前的研究表明，倾斜角度会影响试样的断裂行为。因为，倾斜裂纹使得应力分布不再均匀，出现了应力集中现象，同时也引起了位移聚集。
在试样的断裂前，裂纹两侧的应力是对称的，该点位于裂纹末端。当试样裂纹被延伸到一定长度时，应力集中将越来越明显，并且将在裂纹开裂时达到最高值。
此时，试样的韧性与裂纹延伸阶段的总面积相对应，也就是裂纹前沿带来的能量。试样的断裂强度由所施加的拉应力和试样裂纹的长度决定。裂纹的长度越长，断裂强度越低。
方法
本文使用ANSYS有限元软件对倾斜角度为30°、45°和60°的CTS试样进行了三维数值模拟，计算其应力分布、位移分布和断裂行为。使用线弹性理论和Mohr-Coulomb材料模型计算了试样的力学行为，其中，混凝土的杨氏模量为30GPa，泊松比为0.2，强度参数为0.42，摩擦系数为0.3。试样中预置裂纹的长度为20mm。
结果和分析
倾斜角度为30°时，试样的断裂强度为13.64MPa，韧性为2.02MJ/m3。随着倾斜角度的增加，试样的断裂强度和韧性先升高后降低，倾斜角度为45°时，试样的断裂强度最高，达到14.57MPa，韧性为1.82MJ/m3。但在倾斜角度为60°时，断裂强度降至13.27MPa，韧性为1.57MJ/m3，最小值。
为了更好地了解试样的断裂行为，在倾斜角度为45°的试样中选择了断裂前后的三个时刻进行了应力和位移的分析。如图1所示，裂纹前期，应力分布均匀；到了断裂中期，应力分布变得不均匀，一侧应力升高，另一侧应力下降。同时，位移聚集也开始形成。在裂纹扩展到一定长度时，应力集中非常明显，并且在裂纹开裂时达到最高值。在裂纹后期，应力分布变得不均匀，并出现了位移聚集现象。
实验结果表明，倾斜角度对CTS试样的断裂性能有显著影响。倾斜角度增加后，试样的断裂强度升高，但相应的韧性降低。这是由于倾斜裂纹的存在导致了应力集中和位移聚集，使得试样在承受一定拉应力的情况下，容易发生不稳定裂纹扩展，最终导致断裂。因此，在试样制备时，应避免试样出现倾斜裂纹的情况。
结论
本文从三维断裂行为的角度探讨了具有倾斜裂纹的CTS试样的断裂行为。通过有限元方法的仿真分析，得出了不同倾斜角度下试样的断裂强度和韧性的变化趋势，并分析了倾斜裂纹对试样的应力分布和位移分布的影响。结果表明，倾斜角度对试样的断裂行为有显著影响，倾斜角度增加导致试样的断裂强度升高，但相应的韧性降低。同时，倾斜裂纹的存在也是导致试样断裂的主要原因之一。
这些结果对于CTS试样的优化设计和实际工程中的应用具有一定的意义。在CTS试验中，应注意避免试样出现倾斜裂纹的情况，同时，在设计混凝土结构时，也应结合倾斜裂纹的影响来进行计算和分析。