修正金属本构模型在超高速撞击模拟中的应用

为更加准确地计算93钨合金弹超高速撞击Q345钢板问题,构建了修正的金属本构模型。引入GRAY三相物态方程描述材料相态变化,采用Johnson-Cook强度模型描述撞击后期材料的力学行为。结合封加波损伤演化模型以及Johnson-Cook失效模型描述不同应力三轴度下材料的拉伸、剪切失效行为;引入曹祥提出的断裂演化模型,描述材料失效后应力归零的过程。通过对比超高速撞击数值模拟结果与实验结果,验证了本构模型的适用性,并进一步分析了典型弹靶撞击条件下破片群的空间分布特征。研究结果表明：基于修正金属本构模型获得的超高速撞击靶板穿孔直径、弹体侵蚀长度、破片群扩展速度结果与实验结果一致;GRAY三相物态方程能够相对准确地给出弹体撞击首层靶板以及剩余弹体、破片群撞击第2层靶板时弹靶材料的熔化情况;封加波损伤演化模型能够准确判断超高速撞击过程中靶板是否产生层裂破坏;综合封加波损伤演化模型、Johnson-Cook失效模型以及曹祥提出的断裂演化模型后,数值模拟获得的破片群撞击后效靶板的穿孔面积与累积数量的统计曲线结果与实验结果一致;获得了典型条件下的柱形93钨弹体超高速撞击Q345靶板破片群空间分布结果...     

混凝土拉伸断裂的细观数值分析

根据混凝土试件拉伸和三点弯曲的物理模型,用梁-颗粒模型BPM 2D(B eam-Particle M ode l)模拟了混凝土拉伸和三点弯曲试件微裂纹的萌生、扩展直至试件宏观破坏的全过程。在梁-颗粒模型中用三种类型梁单元形成混凝土细观数值模型,每种类型梁单元的力学性质均按韦伯(W e ibu ll)分布随机赋值以模拟混凝土细观结构的非均匀性。数值模拟结果给出了混凝土拉伸应力-应变曲线和三点弯曲载荷-位移曲线,以及混凝土试件破坏过程最大应力分布图和裂纹扩展图。数值模拟结果显示混凝土破坏过程实际上就是微裂纹萌生、扩展、贯通,直到宏观裂纹产生导致混凝土失稳断裂的过程。通过对数值模拟结果的分析,揭示出混凝土在拉伸条件下裂纹尖端的拉应力集中是裂纹扩展的动力,混凝土组成材料力学性质的非均匀性是造成裂纹扩展路径曲折的重要原因。     

混凝土靶侵彻过程中空腔膨胀响应分区

利用LS-DYNA有限元软件对刚性弹正侵彻混凝土靶进行数值模拟,以混凝土极限压应变和极限拉应变两阈值为依据,对侵彻过程中混凝土靶空腔膨胀响应区域进行了识别划分,得到了侵彻过程中混凝土各响应区的区域大小。另外,还讨论了弹体侵彻速度对混凝土粉碎区和破裂区的影响,以及粉碎区和破裂区边界膨胀速度分别与侵彻速度的关系。计算结果表明,随着弹体侵彻速度的增大,混凝土粉碎区和破裂区界面速度都增大,粉碎区半径增大,而破裂区半径却减小;当侵彻速度达到某一特定值时,破裂区将会消失。     

弹体高速侵彻钢筋混凝土的实验与数值模拟研究

为了得到钢筋混凝土目标在动能弹高速冲击作用下的破坏数据,基于大口径发射平台进行了100 mm口径卵形弹体高速侵彻钢筋混凝土靶体的实验,弹体质量为5.4 kg,靶体尺寸分为2 m × 2 m × 1.25 m 和 2 m × 2 m × 1.50 m两种,混凝土抗压强度为50 MPa,弹体侵彻速度为1 345～1 384 m/s,实验获得了弹体的侵彻深度及钢筋混凝土靶体的破坏数据。通过“钢筋混凝土全体单元分离式共节点建模方法”建立钢筋混凝土靶体模型,结合Riedel-Hiermaier-Thoma本构模型对实验工况进行计算。数值模拟给出了侵彻过程中钢筋的拉压力变化和分布规律,很好地模拟出贴近迎弹面钢筋在弹体高速冲击作用下伴随混凝土反向飞溅而产生的反向拉伸现象及靶体背面钢筋在混凝土崩落作用下发生的拉伸现象;数值模拟得到的弹体侵深数据、现象与实验结果吻合良好,实验验证了“钢筋混凝土全体单元分离式共节点建模方法”的可靠性。     

岩石巴西圆盘动态劈裂的流形元法模拟

利用二阶流形元法,通过引入裂纹产生与扩展判据,对冲击载荷作用下岩石平台巴西圆盘的动态拉伸劈裂过程进行了数值模拟,再现拉伸波作用下圆盘被劈裂的过程。模拟现象与实验结果相符,动态平衡时的应力分布与有限元结果基本一致。从而验证了流形元在模拟冲击载荷作用下材料动态破坏过程的有效性和可行性。     

不同应力差条件下超临界CO_2气爆煤岩体气楔作用次生裂纹扩展规律研究

为研究超临界CO_2气爆技术应用于低渗煤岩增透抽采瓦斯和气爆采掘煤岩过程中,爆生气体楔入爆孔周围破裂区产生次生裂缝的规律,利用自主研发的超临界CO_2气爆装置对不同应力差条件下边长为0.4m的立方体煤岩试件进行了气爆致裂实验,得到了气爆冲击荷载作用时不同应力差条件下试件各监测点应变和爆生气体压力时程曲线及爆后试件的分区破裂特征。近孔煤岩破坏由应力波引起,气楔作用产生的拉应力导致远孔次生裂纹扩展,依据实验规律建立了超临界CO_2气爆煤岩体应力波和气楔作用复合破坏机制的力学模型,数值模拟分析了不同应力差条件下爆生气体气楔致裂规律。结果表明:当水平和垂直方向初应力不等时,爆生气体气楔作用使次生裂纹向垂直最小初应力方向偏转;当初应力相等时,次生裂纹沿原方向扩展,随着初应力增加,裂隙扩展长度和张开度减小;数值模拟得到的气体压力时程曲线、试件破坏特征与实验测得的气爆冲击压力时程曲线、试件破坏特征一致;基于爆生气体劈裂模型的数值模拟结果与实验结果吻合。     

带模拟装药弹体高速冲击岩石靶时的断裂特性

针对高速侵彻过程中的弹体破碎断裂问题,本文中设计2种不同壁厚的试验弹,进行约1 000 m/s着速的高强度岩体侵彻试验,试验表明:在该高着速条件下,两种结构的试验弹体均发生完全破碎且未能有效侵入岩石靶,而岩石靶体仅在表层产生粉碎性破坏;另外,高速侵彻岩石靶的弹体头部破碎情况与侵彻金属薄靶有所区别。在试验基础上,利用Autodyn-3D建立了弹体侵彻岩石靶的物理模型,结合SPH算法与Mott失效模型对弹体破坏过程进行了数值模拟,可有效地揭示弹体破碎机理,并进一步讨论模拟装药和小范围内不同高速对弹体破坏的影响。试验结果和建立的数值模型可为研究高速侵彻中弹体结构安全提供参考。     

PMMA反射拉伸动态破坏的数值模拟

利用PMMA等透明材料弹丸撞击靶板可以直观再现和观测金属弹体撞击靶板的某些响应和破坏特性,研究PMMA在冲击载荷作用下的动态性能可为更好的分析和认识PMMA结构的动态响应提供支撑.基于文献中的实验构型,本文运用LS-DYNA开展了柱锥形PMMA试件在压缩入射波加载下动态响应的数值模拟,研究由于应力波在试件锥段的汇聚效应,以及在自由端的反射拉伸效应.分析了柱锥形PMMA试件的动态响应过程以及拉伸破坏特性,数值模拟获得了与实验相一致的试件破坏现象.     

电磁加载下7075铝环的膨胀断裂模式转变研究

利用电磁膨胀环实验技术,研究了7075铝环在2700～8700 s?1拉伸加载应变率下的断裂模式转变现象。实验结果表明:在低应变率下,铝环的断裂受最大正应力控制,发生拉伸断裂;在高应变率下,铝环的断裂受最大剪应力控制,发生剪切断裂;在中应变率下,铝环的断裂同时受最大正应力和最大剪应力控制,为拉伸和剪切同时存在的拉剪混合断裂模式;随着应变率的增加,铝环的破片数量呈先增加、再减小、最后增加的趋势,破片数量变化拐点与断裂模式转变点基本吻合。     

含圆孔复合材料层板在拉伸载荷下损伤破坏过程的模拟

本文应用有限元法模拟受拉含孔复合材料层板损伤起始、累积直至破坏的过程。在模拟中引入了作者早些时建立的包含基体开裂层非对称约束影响的损伤本构关系，以及裂纹密度与损伤区应力关系函数等。本文给出损伤累积模拟方法并编制了程序，用该程序可以获得层板加载过程中各层的损伤状态、计算其刚度衰减和应力重分布以及最终破坏载荷。给出了数值模拟算例并与现有研究结果进行了比较。     

沥青混合料三点弯曲断裂的扩展有限元模拟

利用随机骨料生成和投放算法建立沥青混合料两相异质模型,借助ABAQUS软件开展了分别在跨中、偏中20mm和40mm不同位置包含预切口的沥青混合料三点弯曲试件断裂行为的扩展有限元模拟,分析了预切口位置对裂纹扩展路径、载荷位移曲线等的影响规律,并与实验结果进行了比较。结果表明,预切口偏离跨中越远,裂纹扩展方向偏离预切口延长线的角度越大,试件的峰值载荷越大,对试件承载能力的削弱越弱。实验和数值模拟结果在定性上的一致性表明,利用扩展有限元方法模拟沥青混合料断裂行为是可行的。     

Fracture process zone concept and delamination of composite laminates

Delaminations occur at the free edges of composite laminates because of high interlaminar stresses, which develop due to a mismatch in elastic properties between adjacent plies and the limited toughness of the matrix. The process of delamination is modelled using the concept of a fracture process zone. A finite element analysis that can be used with a constant or linear stress-displacement relationship within the fracture process zone is presented. It is found that the simple constant stress model gives an accurate prediction of the delamination on the free edge of a tensile specimen.     

超高速冲击铝双层板的熔化效应

对超高速冲击铝双层板的熔化效应进行了实验研究和数值模拟，用扫描电镜观察后板的弹坑发现：当弹丸碰撞速度超过５ｋｍ／ｓ时，后板出现熔坑；随着弹丸碰撞速度的增加，后板熔坑数目亦随之增加，碎片云对后板的破坏明显减弱。数值模拟表明，击波加热和塑性功加热是熔化的两种机制，有关熔化主要特征的数值模拟结果与实验结果基本吻合。     

钢制弹丸冲击混凝土时绝热剪切局部化的数值计算

为描述弹丸材料冲击混凝土时的绝热剪切过程,根据冲击条件下绝热剪切局部化的一维分析结果,给出冲击混凝土弹丸材料的绝热剪切局部化模型并引入到数值分析中。为了既能描述混凝土的非线性变形及断裂特性又要保持分析过程中材料界面的清晰,混凝土划分成光滑粒子并使用无网格光滑粒子动力学算法,而弹体划分成有限元网格并使用有限元算法。结果显示,利用本文中给出的绝热剪切局部化模型计算得到的弹丸内绝热剪切局部化区域与实验中的破坏位置一致。     

球头弹体侵彻舰船板架加强筋时的攻角变化简化理论模型

舰船板架结构加强筋对于弹体侵彻着角与攻角变化有较大影响,而目前对此尚无理论模型。本文开展板架加强筋对弹体攻角变化的理论研究。针对刚性球头弹体侵彻舰船板架结构加强筋问题,将加强筋简化为刚塑性梁模型,建立了侵彻过程力学模型,给出了弹体剩余速度、着角和攻角变化的求解公式。公式表明弹体攻角与着角的变化与弹体初始速度、初始着角、初始攻角以及加强筋极限弯矩有关。通过编程求解理论公式,发现初始着角对于侵彻结束攻角和着角变化的影响大于初始攻角;初始着角超过某一值后,攻角改变会急剧增大,而当初始着角超过另一极限值后会发生弹体跳飞;初始速度越高,弹体侵彻结束后着角和攻角变化越小;加强筋的极限弯矩对弹体攻角改变有较大影响。     

混凝土侵彻数值模拟的影响因素

利用动力学计算软件AUTODYN 2D,采用拉格朗日网格描述弹、靶模型,对弹径比为0.3、直径为75 mm、长225 mm的卵形弹垂直侵彻直径为1.6 m、厚度为2 m的混凝土靶板的过程进行了数值模拟。通过设置静水压和主应力2种拉伸失效模式、不同的混凝土靶板网格尺寸以及不同的销蚀应变分别进行计算,考察以上因素对侵彻深度及靶板前表面损伤面积计算结果的影响。结果表明:3种因素对数值模拟结果的影响显著;靶板网格尺寸选择5.0 mm时,计算结果较合理;分别选用2种不同的拉伸失效模式,侵蚀应变取1.5时,计算结果与实验结果均较接近;而当选用静水压拉伸失效模式,侵蚀应变取2.0时,计算结果与实验结果吻合最好。     

Cracking mechanisms in lithiated silicon thin film electrodes

The massive cracking of silicon thin film electrodes in lithium ion batteries is associated with the colossal volume changes that occur during lithiation and delithiation cycles. However, the underlying cracking mechanism or even whether fracture initiates during lithiation or delithiation is still unknown. Here, we model the stress generation in amorphous silicon thin films during lithium insertion, fully accounting for the effects of finite strains, plastic flow, and pressure-gradients on the diffusion of lithium. Our finite element analyses demonstrate that the fracture of lithiated silicon films occurs by a sequential cracking mechanism which is distinct from fracture induced by residual tension in conventional thin films. During early-stage lithiation, the expansion of the lithium-silicon subsurface layer bends the film near the edges, and generates a high tensile stress zone at a critical distance away within the lithium-free silicon. Fracture initiates at this high tension zone and creates new film edges, which in turn bend and generate high tensile stresses a further critical distance away. Under repeated lithiation and delithiation cycles, this sequential cracking mechanism creates silicon islands of uniform diameter, which scales with the film thickness. The predicted island sizes, as well as the abrupt mitigation of fracture below a critical film thickness due to the diminishing tensile stress zone, is quantitatively in good agreement with experiments.     

弹丸侵彻混凝土的SPH算法

给出了弹丸侵彻混凝土的数值计算,其中弹体作为刚体处理并划分成Lagrangian标准有限元网格,而混凝土划分成光滑粒子并经历大应变、高应变率和高压作用。为了描述混凝土的非线性变形及断裂特性,在计算中引入了Holmquist Johnson Cook本构模型及损伤模型。计算结果与实验结果的对比表明,利用光滑粒子流体动力学方法对混凝土材料进行大应变、高应变率的变形计算是有效的,并可避免网格重分或网格消蚀。此外,将光滑粒子流体动力学方法和有限元方法结合可以保持计算过程中材料界面的清晰。     

Cohesive fracture simulation and failure modes of FRP–concrete bonded interfaces

A work-of-fracture method using three-point bend beam (3PBB) specimen, commonly employed to determine the fracture energy of concrete, is adapted to evaluate the mode-I cohesive fracture of fiber reinforced plastic (FRP) composite–concrete adhesively bonded interfaces. In this study, a bilinear damage cohesive zone model (CZM) is used to simulate cohesive fracture of FRP–concrete bonded interfaces. The interface cohesive process damage model is proposed to simulate the adhesive–concrete interface debonding; while a tensile plastic damage model is used to account for the cohesive cracking of concrete near the bond line. The influences of the important interface parameters, such as the interface cohesive strength, concrete tensile strength, critical interface energy, and concrete fracture energy, on the interface failure modes and load-carrying capacity are discussed in detail through a numerical finite element parametric study. The results of numerical simulations indicate that there is a transition of the failure modes controlling the interface fracture process. Three failure modes in the mode-I fracture of FRP–concrete interface bond are identified: (1) complete adhesive–concrete interface debonding (a weak bond), (2) complete concrete cohesive cracking near the bond line (a strong bond), and (3) a combined failure of interface debonding and concrete cohesive cracking. With the change of interface parameters, the transition of failure modes from interface debonding to concrete cohesive cracking is captured, and such a transition cannot be revealed by using a conventional fracture mechanics-based approach, in which only an energy criterion for fracture is employed. The proposed cohesive damage models for the interface and concrete combined with the numerical finite element simulation can be used to analyze the interface fracture process, predict the load-carrying capacity and ductility, and optimize the interface design, and they can further shed new light on the interface failure modes and transition mechanism which emulate the practical application.