考虑微结构特征的陶瓷材料含损伤本构模型

为了研究不同微结构陶瓷材料的冲击破坏特征,以从微结构角度出发、描述陶瓷材料非弹性变形和断裂行为的Deshpande-Evan模型为基础构建本构模型,计算了无约束条件下材料的应力状态。为了验证改进模型的有效性,将VUMAT子程序编程方法将与ABAQUS有限元软件相结合,并将其应用于典型陶瓷材料（YAG透明陶瓷）冲击破坏过程的分析模拟。采用改进模型分析应变率、应力三轴度、晶粒尺寸及初始缺陷分布密度对YAG透明陶瓷动态力学行为和损伤演化机制的影响规律。结果表明：随着晶粒尺寸和裂纹分布密度的增加,YAG透明陶瓷破坏程度随之加剧,完全损伤区域面积也随之增加,晶粒尺寸对YAG透明陶瓷宏观破坏特征的影响程度要大于裂纹分布密度;YAG透明陶瓷失效强度以及断裂应变随着晶粒尺寸以及初始缺陷分布密度的增大而减小;随着应变率不断增加,YAG透明陶瓷在不同晶粒尺寸以及初始缺陷分布密度下的峰值应力和断裂应变均随之增加;裂纹扩展速度会随着晶粒尺寸的增加呈现出先增加而后平缓的趋势,裂纹扩展速度与初始缺陷分布密度系数成线性关系。改进模型可以描述YAG透明陶瓷微结构对其宏观破坏特征的影响,为进一步分析微结构对陶瓷材料宏观...     

动力损伤后的脆性岩石静力蠕变断裂模型研究

应力波动力扰动下脆性岩石的静力蠕变特性,对深部地下工程围岩变形的评价有重要的实践意义.动力载荷作用导致的局部细观裂纹损伤严重影响脆性岩石蠕变力学行为.基于细观裂纹扩展与应力关系模型、动力扰动损伤演化函数、静动力载荷演化路径函数与黏弹性本构模型,提出一种应力波动力扰动下脆性岩石蠕变断裂特性的宏细观力学模型.其中动力损伤通过控制岩石内部细观裂纹数量变化实现.模型描述了应力波动力扰动下岩石的应变时间演化曲线,解释了岩石动力扰动下蠕变失效特性.研究了不同应力波幅值及周期影响下的脆性岩石应变-时间关系曲线,并通过试验结果验证了模型的合理性.讨论了动力损伤变化形式,突变发生时刻,突变量的大小对岩石蠕变失效特性的影响.分析了应力波幅值、周期对岩石动态动力损伤效应以及蠕变失效特性的影响.主要研究结果:动力损伤的变化值越大,岩石蠕变失效发生时间越短.冲击载荷扰动期间,动力损伤发生的时刻及增加的形式,对动力扰动后的岩石应变及蠕变破坏时间影响很小.动力损伤变化量随应力波幅值增加、周期减小而加速增大.应力波幅值越大、周期越小,岩石发生蠕变失效时间越短.     

脆性岩石蠕变裂纹成核宏细观力学机理研究

脆性岩石内部细观裂纹扩展、贯通及成核影响下的脆性蠕变行为, 对深部地下工程围岩微震及岩爆事件评价有着重要意义. 然而, 目前能够解释裂纹成核损伤突变影响下, 脆性岩石完整蠕变宏细观力学机理模型的研究很少. 本文基于脆性岩石亚临界裂纹扩展模型、裂纹-应变-声发射事件相关的损伤模型及裂纹成核损伤时间演化路径函数, 提出了一种脆性岩石裂纹成核损伤突变影响下的蠕变宏细观力学模型. 裂纹成核损伤时间演化路径函数通过岩石内部裂纹成核损伤突变大小$\Delta D_{CN}$及相邻裂纹成核损伤时间差$\Delta t$进行定义, 该函数可以结合岩石声发射监测试验数据定义的岩石损伤数据确定. 通过与试验结果对比分析验证模型的合理性. 并讨论了裂纹成核损伤大小、相邻裂纹成核损伤时间间隔、及裂纹成核数量对脆性岩蠕变裂纹长度、裂纹速率、轴向应变及应变率的影响. 该结果对于更加合理、经济、高效的深部地下工程施工及设计提供了一定的理论支持.      

编织复合材料的冲击损伤与断裂行为研究

本文利用冲击加载实验装置对含V型裂纹碳纤维编织复合材料梁的冲击损伤与断裂行为进行了实验研究,记录了冲击载荷的时间历程,梁的动态位移变化以及裂纹尖端损伤的动态应变演化历史,确定了裂纹尖端的应变能密度分布。并利用扫描电镜对其断裂表面进行了微观分析。     

基于裂纹扩展脆性岩石动力压缩力学特性研究

动态压缩荷载作用下,脆性岩石内部动态细观裂纹扩展特性,对岩石宏观动态力学特性有着重要的影响。然而,对岩石内部动态细观裂纹扩展与宏观动态力学特性的关系研究较少。基于准静态裂纹扩展作用下的应力-应变本构模型、准静态与动态裂纹扩展断裂韧度关系、裂纹速率与应变率关系模型及应变率与动态断裂韧度关系,提出了一种基于细观力学的动态应力-应变本构模型。其中裂纹速率与应变率关系,是根据裂纹长度与应变关系的时间导数推出;应变率与动态断裂韧度关系,是根据推出的裂纹速率及应变率关系,与裂纹速率及断裂韧度关系相结合而得到。研究了应变率对应力-应变本构关系及动态压缩强度影响。并通过试验结果验证了模型的合理性。讨论了岩石初始损伤、围压、模型中参数m、ε0和R对应力-应变关系、动态压缩强度和动态弹性模量的影响。研究结果可为动态压缩荷载作用下深部地下工程脆性围岩稳定性分析提供了一定的理论支持。     

压缩载荷作用下岩石的细观损伤和塑性研究

建立岩石微裂纹扩展的细观力学模型,研究了岩石的细观损伤和塑性性质.压缩载荷下微裂纹尖端翼裂纹稳定扩展表征岩石的细观损伤,采用应变能密度准则求解复合型断裂的翼裂纹扩展长度,微裂隙统计的二参数Weibull函数模型反映绝对体积应变对微裂纹分布数目影响,进而用翼裂纹扩展所表征的应力释放体积和微裂纹数目来表示含有微裂隙的岩石损伤演化变量;宏观塑性屈服函数采用Voyiadjis等的等效塑性应变的硬化函数,反映了塑性内变量对硬化函数的影响;建立岩石模型的本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制了模型的本构程序.分析弹塑性损伤模型的围压对岩石损伤的影响,并从围压和短微裂隙长度等因素分析模型的岩石的损伤和宏观塑性特性.     

脆性固体碎裂过程中的最快卸载特性

脆性固体在高应变率拉伸过程中常破碎为多块碎片.论文通过一个一维理论模型,研究动态脆性碎裂过程中固体内部载荷卸载规律,以及碎片尺度的计算方法.假设一维固体中裂纹等间距分布、同时起裂,研究均匀应变率拉伸作用下裂纹阵列的扩张过程.采用线弹性波动方程组描述未断裂固体的动力学关系,采用粘滞断裂模型(cohesive fracture model)描述裂纹的扩张行为,形成完整的初边值问题.采用沿特征线的有限差分计算格式求解控制方程组,得到固体在碎裂过程不同时刻下单位裂纹体内部的应力分布曲线,以及单位裂纹体平均应力随时间的变化规律,确定单位裂纹体达到完全断裂所需要的时间.在给定应变率下,分析不同裂纹间距下的碎裂卸载时间,以及使单位裂纹体以最快速度完全卸载所对应的最佳裂纹间距,并以此间距估算脆性固体在自然动态碎裂过程中的平均碎片尺度.进一步研究了具有不同粘滞性断裂特性的脆性固体的碎片尺度计算数值的差异.     

考虑微裂纹相互作用的的岩石微观力学弹塑性损伤模型研究

本文建立基于微裂纹扩展的岩石弹塑性损伤微观力学模型。用自洽方法考虑裂隙间相互影响,压缩载荷下微裂纹尖端翼裂纹稳定扩展表征岩石的微观损伤,基于应变能密度准则用Newton迭代法求复合型断裂的翼裂纹扩展长度,并采用微裂隙统计的二参数Weibull函数模型反映绝对体积应变对微裂纹分布数目影响,进而用翼裂纹扩展所表征的应力释放体积和微裂纹数目来表示含有微裂隙的岩石损伤演化变量;宏观塑性屈服函数采用Voyiadjis等的等效塑性应变的硬化函数,反映塑性内变量对硬化函数的影响;建立岩石的弹塑性损伤本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制了弹塑性损伤模型的程序。从围压和微裂隙长度等因素分析弹塑性损伤模型的岩石的损伤和宏观塑性特性。     

冲击载荷作用下裂纹动态响应的数值模拟

对垂直、剪切以及斜向等各种冲击载荷作用下裂纹的动态响应进行了数值模拟,得到了一系列随时间变化的动态应力场以及应变场图;根据其定义,计算出了相应的动态应力强度因子,进而分析了斜向载荷作用下裂纹起裂情况,并对最优断裂问题进行了阐述。     

延性材料的损伤断裂

以细观统计损伤理论为基础 ,对材料受冲击载荷作用下初期损伤的成核成长效应进行了定量计算。得到了不同动载荷作用下从损伤成核到成长阶段转换的特征时间 ,并把它应用于Johnson提出的延性材料的损伤断裂模型 ,减小了原模型中的模型参数初始损伤度的随意性 ,增加了Johnson模型的确定性与可预测性。用改进后的模型计算不同冲击速度下OFHC铜的损伤断裂 ,计算结果与实测结果吻合较好。     

Mechanical behaviors and damage constitutive model of ceramics under shock compression

One-stage light gas gun was utilized to study the dynamic mechanical properties of AD90 alumina subjected to the shock loading. Manganin gauges were adopted to obtain the stress-time histories. The velocity interferometer system for any reflector （VISAR） was used to obtain the free surface velocity profile and determine the Hugoniot elastic limit. The Hugoniot curves were fitted with the experimental data. From Hugoniot curves the compressive behaviors of AD90 alumina were found to change typically from elastic to ＂plastic＂. The dynamic mechanical behaviors for alumina under impact loadings were analyzed by using the path line principle of Lagrange analysis, including the nonlinear characteristics, the strain rate dependence, the dispersion and declination of shock wave in the material. A damage model applicable to ceramics subjected to dynamic compressive loading has been developed. The model was based on the damage micromechanics and wing crack nucleation and growth. The effects of parameters of both the micro-cracks nucleation and the initial crack size on the dynamic fracture strength were discussed. The results of the dynamic damage evolution model were compared with the experimental results and a good agreement was found.     

多孔铁电陶瓷冲击压缩响应与损伤演化的离散元数值模拟

采用flat-joint粘结模型,建立多孔铁电陶瓷在一维应变冲击压缩下的PFC (particle flow code)颗粒流离散元模型,通过数值模拟再现了平板撞击实验中实测的自由面速度剖面历史,并揭示了多孔铁电陶瓷在冲击压缩下的响应过程与损伤演化机制。多孔铁电陶瓷在冲击压缩下的响应过程可分4个阶段:弹性变形、失效蔓延、冲击压溃变形、冲击Hugoniot平衡状态;其中,失效蔓延的内在机制是由剪切裂纹的成核与增长,而冲击压溃变形的主要机制是孔洞的塌缩以及层状剪切裂纹的形成与扩展;冲击速度与孔隙率对铁电陶瓷的响应有显著的影响,Hugoniot弹性极限强烈依赖于孔隙率,但与冲击速度的大小无关,宏观损伤累积随着冲击速度和孔隙率的增加而增加。     

Dynamic damage constitutive relation of mesoscopic heterogenous brittle rock under rotation of principal stress axes

A micro-mechanics-based model is developed to investigate microcrack damage mechanism of four stages of brittle rock under rotation of the principal stress axes. They consist of linear elastic, non-linear hardening, rapid stress drop and strain softening. The frictional sliding crack model is applied to analyze microcracks nucleation, propagation and coalescence. The strain energy density factor approach is applied to determine the critical condition of microcrack nucleation, propagation and coalescence. The inelastic strain increments are formulated within the framework of thermodynamics with internal variables. Rotation of principal stress axes affect the dynamic damage constitutive relationship and the failure strength of brittle rock.     

Al2O3陶瓷动静态压缩下碎片形貌与破坏机理分析

为探究Al₂O₃陶瓷的宏观力学响应与破坏机理,分别利用材料试验机和分离式霍普金森压杆对其进行准静态和动态压缩实验,同时通过原位光学成像观测试样的破坏过程,并利用同步辐射CT和扫描电镜（SEM）对回收碎片的尺寸和形状以及微观破坏模式进行表征分析。宏观强度数据表明,Al₂O₃陶瓷的抗压强度符合Weibull分布,且与加载应变率呈现指数增长关系。原位光学成像和SEM回收分析共同揭示了动静态加载下裂纹成核与扩展模式存在明显差异。准静态加载时材料微观上更易发生沿晶断裂,宏观表现为劈裂裂纹较少,且倾向于沿加载方向传播并贯穿整个试样;而动态加载时穿晶断裂占主导地位,劈裂裂纹明显增加并发生相互作用,因此在传播过程中容易分叉而形成大量次生裂纹,提高了试样内裂纹密度。这与碎片的CT表征结果一致,即碎片平均球形度和伸长、扁平指数等均随应变率对数线性增加。破坏模式的改变最终导致高应变率下陶瓷材料应变率敏感性显著增强。     

Peridynamic modelling of impact damage in three-point bending beam with offset notch

The nonlocal peridynamic theory has been proven to be a promising method for the material failure and damage analyses in solid mechanics.Based upon the integrodifferential equations,peridynamics enables predicting the complex fracture phenomena such as spontaneous crack nucleation and crack branching,curving,and arrest.In this paper,the bond-based peridynamic approach is used to study the impact damage in a beam with an offset notch,which is widely used to investigate the mixed I-II crack propagation in brittle materials.The predictions from the peridynamic analysis agree well with available experimental observations.The numerical results show that the dynamic fracture behaviors of the beam under the impact load,such as crack initiation,curving,and branching,rely on the location of the offset notch and the impact speed of the drop hammer.     

伴随微孔洞生长的裂纹弹塑性定常扩展

裂纹在韧性材料中扩展时,将们随着微孔洞的萌生和生长,孔洞的萌生和深化将直接影响着材料的总体断裂韧性和强度,以往的研究主要集中在将裂纹的扩展刻划为微孔洞的萌生、生长和汇合这样一个过程。从传统的断裂过程区模型出发研究微孔洞的萌生和生长对材料总体断裂韧性的影响,通过采用Ｇｕｒｓｏｎ模型,建立塑性增量本构关系,然后针对定常扩展情况直接进行分析,孔洞对材料断裂韧性的影响由本构关系刻划,而在孔洞汇合模型中,上     

A recursive-faulting model of distributed damage in confined brittle materials

We develop a model of distributed damage in brittle materials deforming in triaxial compression based on the explicit construction of special microstructures obtained by recursive faulting. The model aims to predict the effective or macroscopic behavior of the material from its elastic and fracture properties; and to predict the microstructures underlying the microscopic behavior. The model accounts for the elasticity of the matrix, fault nucleation and the cohesive and frictional behavior of the faults. We analyze the resulting quasistatic boundary value problem and determine the relaxation of the potential energy, which describes the macroscopic material behavior averaged over all possible fine-scale structures. Finally, we present numerical calculations of the dynamic multi-axial compression experiments on sintered aluminum nitride of Chen and Ravichandran [1994. Dynamic compressive behavior of ceramics under lateral confinement. J. Phys. IV 4, 177-182; 1996a. Static and dynamic compressive behavior of aluminum nitride under moderate confinement. J. Am. Soc. Ceramics 79(3), 579-584; 1996b. An experimental technique for imposing dynamic multiaxial compression with mechanical confinement. Exp. Mech. 36(2), 155-158; 2000. Failure mode transition in ceramics under dynamic multiaxial compression. Int. J. Fracture 101, 141-159]. The model correctly predicts the general trends regarding the observed damage patterns; and the brittle-to-ductile transition resulting under increasing confinement.     

拉伸荷载下分支裂隙破坏机理研究

为研究拉伸荷载下分支裂隙对破坏模式的影响,保持主裂隙参数不变,改变分支裂隙倾角和长度,利用扩展有限元方法模拟了弯折裂隙的动态扩展,总结了分支裂隙参数变化对破坏模式的影响。利用ABAQUS中的轮廓积分计算了分支裂隙尖端应力强度因子,并根据最大周向应力准则计算起裂角。结果表明:拉伸荷载下分支裂隙出现三种破坏模式;分支裂隙倾角和长度均对破坏模式有一定的影响。I型应力强度因子与分支裂隙倾角关系曲线呈斜"S"型,相应II型应力强度因子曲线呈上凸型;由于分支裂隙存在非尖端破坏,利用裂隙尖端应力强度因子判断开裂应结合相应的破坏模式。     

Impact failure characteristics in sandwich structures. Part II: Effects of impact speed and interfacial strength

In this paper, we describe the second part of an experimental investigation concentrating on the study of the effects of impact speed and interfacial bond strength on the dynamic failure of model sandwich structures. Results show that even small variations in impact speed and bond strength substantially influence the initiation behavior of delamination (location and nucleation time) and lead to substantially different inter-layer crack speed histories. These changes in inter-layer failure history influence the timing, sequence and final extent of subsequent intra-layer damage within the sandwich structures.