本公開涉及增材制造和斷裂力學，更具體地，涉及一種裂紋分析方法。

背景技術：

1、自然界生物布利網(wǎng)（bouligand）結構材料是由礦物質、蛋白質和幾丁質纖維等軟硬多相組分組成，其中幾丁質纖維按一定螺旋角堆疊形成具有扭轉纖維層合板特征的bouligand結構，該結構廣泛存在于甲殼類動物外骨骼、哺乳動物骨骼、魚鱗等，具有超越組分成百上千倍的斷裂韌性，這與其內部復雜裂紋擴展路徑密切相關。

2、然而，由于生物bouligand結構具有多組分、跨尺度等非均質結構特征，內部裂紋擴展路徑與bouligand結構特征間的關聯(lián)還不清楚，導致人造仿生bouligand結構材料的斷裂韌性遠未達到生物材料性能水平。

3、相關技術中，仿生抗斷裂結構的分析方法主要包括試驗法和數(shù)值模擬法。其中，試驗法無法復現(xiàn)生物bouligand結構的裂紋擴展形貌或難以精確控制結構參數(shù)和組分的力學性能；數(shù)值模擬法多局限于二維裂紋形貌或單一斷裂模式，無法預測生物bouligand結構內裂紋扭轉、纖維斷裂等多種斷裂模式耦合形成的三維不規(guī)則裂紋面形貌。

技術實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本公開提供了一種裂紋分析方法。

2、本公開的一個方面提供了一種裂紋分析方法，包括：確定包含可設計硬纖維相和軟基質相特征的仿生抗斷裂結構的三維數(shù)字模型；將上述三維數(shù)字模型導入材料打印設備的幾何預處理軟件進行組裝，得到軟硬兩相貼合的三維組裝體模型；將上述三維組裝體數(shù)字模型進行二維化處理，得到包含軟硬相幾何的二維切片數(shù)據(jù)；將上述二維切片數(shù)據(jù)導入上述材料打印設備中進行運算處理，得到打印設備噴頭的最優(yōu)運行軌跡和噴出材料類型；根據(jù)上述最優(yōu)運行軌跡和上述噴出材料類型逐層噴射固化得到含硬纖維和軟基質的仿生抗斷裂結構樣品；以及對上述仿生抗斷裂結構樣品進行斷裂測試，觀測分析裂紋面形貌和斷裂模式，得到觀測結果。

3、本公開另一方面提供了一種裂紋分析裝置，包括：確定模塊，用于確定包含可設計硬纖維相和軟基質相特征的仿生抗斷裂結構的三維數(shù)字模型；組裝模塊，用于將三維數(shù)字模型導入材料打印設備的幾何預處理軟件進行組裝，得到軟硬兩相貼合的三維組裝體模型；第一處理模塊，用于將三維組裝體數(shù)字模型進行二維化處理，得到包含軟硬相幾何的二維切片數(shù)據(jù)；第二處理模塊，用于將二維切片數(shù)據(jù)導入材料打印設備中進行運算處理，得到打印設備噴頭的最優(yōu)運行軌跡和噴出材料類型；固化模塊，用于根據(jù)最優(yōu)運行軌跡和噴出材料類型逐層噴射固化，得到含硬纖維和軟基質的仿生抗斷裂結構樣品；分析模塊，用于對仿生抗斷裂結構樣品進行斷裂測試，觀測分析裂紋面形貌和斷裂模式，得到觀測結果。

4、本公開的另一個方面提供了一種電子設備，包括：一個或多個處理器；存儲器，用于存儲一個或多個程序，其中，當所述一個或多個程序被所述一個或多個處理器執(zhí)行時，使得所述一個或多個處理器實現(xiàn)如上所述的方法。

5、本公開的另一方面提供了一種計算機可讀存儲介質，存儲有計算機可執(zhí)行指令，所述指令在被執(zhí)行時用于實現(xiàn)如上所述的方法。

6、本公開的另一方面提供了一種計算機程序產(chǎn)品，所述計算機程序產(chǎn)品包括計算機可執(zhí)行指令，所述指令在被執(zhí)行時用于實現(xiàn)如上所述的方法。

7、根據(jù)本公開的實施例，通過建立包含可設計硬纖維相和軟基質相特征的仿生抗斷裂結構的三維數(shù)字模型，然后將三維數(shù)字模型導入幾何預處理軟件進行組裝，得到軟硬兩相貼合的三維組裝體模型，再將三維組裝體數(shù)字模型進行二維化處理和運算處理，得到打印設備噴頭的最優(yōu)運行軌跡和噴出材料類型，最后根據(jù)最優(yōu)運行軌跡和噴出材料類型逐層噴射固化，得到含硬纖維和軟基質的仿生抗斷裂結構樣品，實現(xiàn)了含硬纖維相和軟基質相的仿生bouligand抗斷裂結構的結構參數(shù)、組分性質的微米級精確控制。通過參數(shù)化建模和高精度打印，準確復現(xiàn)了仿生抗斷裂結構，可以為具有多組分、跨尺度特征的仿生抗斷裂結構精確制造和裂紋分析提供指導。在此基礎上，通過對仿生抗斷裂結構樣品進行斷裂測試，觀測分析裂紋面形貌和斷裂模式，得到觀測結果，實現(xiàn)對仿生抗斷裂結構的裂紋分析。

技術特征：

1.一種裂紋分析方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權利要求1所述的方法，還包括：

3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中，所述根據(jù)所述三維數(shù)字模型和所述仿生抗斷裂結構樣品特點，建立預測裂紋路徑的斷裂相場模型包括：

4.根據(jù)權利要求2或3所述的方法，其中，所述斷裂相場模型中材料性質的彈性能表達式為：

5.根據(jù)權利要求4所述的方法，還包括：

6.根據(jù)權利要求5所述的方法，還包括：

7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中，所述仿生抗斷裂結構的應變能驅動力的歷史場變量如下：

8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，在根據(jù)所述最優(yōu)運行軌跡和所述噴出材料類型逐層噴射固化得到含硬纖維和軟基質的仿生抗斷裂結構樣品之前，所述方法還包括：

9.根據(jù)權利要求1或8所述的方法，其中，根據(jù)所述最優(yōu)運行軌跡和所述噴出材料類型逐層噴射固化得到含硬纖維和軟基質的仿生抗斷裂結構樣品包括：

10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其中，每層厚度14~18微米。

技術總結
本公開提供了一種裂紋分析方法，可以應用于增材制造和斷裂力學技術領域。該裂紋分析方法包括：確定包含可設計硬纖維相和軟基質相特征的仿生抗斷裂結構的三維數(shù)字模型；將三維數(shù)字模型導入材料打印設備的幾何預處理軟件進行組裝，得到軟硬兩相貼合的三維組裝體模型；將三維組裝體數(shù)字模型進行二維化處理，得到包含軟硬相幾何的二維切片數(shù)據(jù)；將二維切片數(shù)據(jù)導入材料打印設備中進行運算處理，得到打印設備噴頭的最優(yōu)運行軌跡和噴出材料類型；根據(jù)最優(yōu)運行軌跡和噴出材料類型逐層噴射固化得到含硬纖維和軟基質的仿生抗斷裂結構樣品；對仿生抗斷裂結構樣品進行斷裂測試，觀測分析裂紋面形貌和斷裂模式，得到觀測結果。

技術研發(fā)人員：倪勇,吳開金,伊鵬云,劉孟其,王澤文,丁軍
受保護的技術使用者：中國科學技術大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/10/21