准脆性材料损伤破坏的细宏观联结分析

准脆性材料在外力作用下不仅产生应力与变形,而且还会内部缺陷或微裂纹随着变化和出现宏观裂缝扩展.根据材料的微细观测,通过固体力学原理建立模型分析其微裂纹与宏观裂缝之间的关联.材料中宏观裂缝端部通常存在损伤区,且在该区内存在许多相对微小缺陷或微裂纹,从而使得材料局部变形增加而力量减弱.若把该损伤带视为裂缝一部分,那么在该虚拟裂缝两岸上将存在分布黏聚力;虚拟裂缝两岸的相对位移将是微裂纹区变形及扩展的综合体现.为此,对包含有细观裂纹的代表性体积单元进行力学计算,然后将其嵌入到宏观裂缝端部损伤带的变形计算中,以探寻固体失效的细观与宏观尺度力学分析的联结,并与实测数据相对比.     

混凝土中心裂缝单轴拉伸损伤断裂数值模拟研究

基于对混凝土细观力学的认识,假定混凝土是由砂浆基质,骨料及它们之间的界面组成的三相复合材料,各组分的材料性质按照某个给定的Weibull分布来赋值,细观单元满足弹性损伤的本构关系,应用细观力学损伤模型研究了混凝土的宏观力学性质,并且通过有限元程序对中心裂缝混凝土试件在单向拉伸情况下的破坏过程进行了数值模拟.模拟结果表明,该模型可以用来研究单向载荷作用下混凝土结构的破坏机理.     

一个简化的空穴多级形核模型

1 引言为在细观机理基础上建立韧性材料在一定应力状态下宏观裂纹产生和发展的力学模型。一些学者已做了不少工作.人们力图通过细观研究找到一个较接近韧性材料损伤和断裂物理本质的材料破坏准则,以用来描述和预测韧性材料的损伤和断裂.直到现在,大多数研究都认为无裂纹体与裂纹体的破坏是两个截然不同的问题.人们一直是用不同的准则来判定无裂纹试件和含裂纹试件的破坏的.但若从细观角度来看,对     

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。     

基于微-细观机理的混凝土疲劳损伤本构模型

该文致力于混凝土疲劳损伤发展机理的微细观解释. 以速率过程理论为基础,通过考虑裂纹断裂过程区中的水分子动力作用,在细观尺度上建立了具有物理机理的疲劳损伤能量耗散表达式. 结合细观随机断裂模型,以宏观损伤力学为框架,建立了疲劳损伤演化方程. 通过数值模拟,计算了单轴受拉时的疲劳损伤演化以及不同加载幅度下的疲劳寿命. 与相关试验结果的对比显示出该文模型能够很好地表现混凝土材料的疲劳损伤演化过程.      

THE FATIGUE CONSTITUTIVE MODEL OF CONCRETE BASED ON MICRO-MESO MECHANICS

该文致力于混凝土疲劳损伤发展机理的微细观解释. 以速率过程理论为基础,通过考虑裂纹断裂过程区中的水分子动力作用,在细观尺度上建立了具有物理机理的疲劳损伤能量耗散表达式. 结合细观随机断裂模型,以宏观损伤力学为框架,建立了疲劳损伤演化方程. 通过数值模拟,计算了单轴受拉时的疲劳损伤演化以及不同加载幅度下的疲劳寿命. 与相关试验结果的对比显示出该文模型能够很好地表现混凝土材料的疲劳损伤演化过程.     

准脆性材料黏聚阻裂的计算与实验

工程常用材料铸铁混凝土等,在裂缝前端区域有微观及宏观缺陷的变化及能量耗散,表现为准脆性损伤断裂特点.若把该阻止裂缝扩展与张开的损伤发展区简化成虚拟裂纹,将存在裂纹黏聚分布力与变形或张开位移;讨论了与此相关的黏聚裂纹力学模型及方程解答说明.相应于黏聚张开位移有微细观测图与实验测试数据,给出黏聚裂纹模型的解析计算方法,并将理论计算与实验测试数据进行了对比.以双K断裂准则和黏聚模型为基础,给出对含裂纹结构的承载力的预估计算.理论计算比较符合实验结果.     

沿指定应力路径加载的有限元RVE模型研究

在细观尺度上建立能反映材料微观组织结构又能反映统计意义上宏观力学性能的代表性体积单元（Representative Volume Element, RVE）,对其进行复杂加载下的数值研究,是目前预测材料宏观力学性能较有效的方法。本文从理论上分析并提供了对正六面体RVE在任意应力状态及任意应力路径下加载及宏观应力、应变计算的方法,用有限元软件ABAQUS实现了数值计算过程,并用此方法对循环加载下缺口圆棒颈部中心和边缘位置进行了RVE分析。结果表明：（1）此方法能准确的控制并实现正六面体RVE在任意应力状态及应力状态路径下加载;（2）通过RVE分析,可用于复杂加载下试样局部细观结构变化的研究。     

断裂损伤与细观力学

本文从力学发展的角度,对断裂力学、损伤力学与细观力学的主要内容及其发展,作了简要的介绍和评述.指出:固体力学与其它学科的交缘汇合,并深入到细观结构的层次进行研究,这一研究发展的势头已是很明显的了.细观力学、损伤力学与断裂力学构成了从细观尺度直至宏观尺度以描述材料与结构的破坏过程的破环理论的主要内容.它使得作为固体材料的力学的基本内容之一的破坏理论,面临一个新的发展阶段.     

基于细观力学的混凝土弹塑脆性损伤研究

将混凝土假定为一种由硬化水泥砂浆、粗骨料、界面粘结带所组成的三相复合材料,在满足骨料级配曲线算法的基础上,采用细观单元的弹塑脆性损伤本构关系,考虑材料的非均质特性,建立了基于细观力学的混凝土弹塑脆性损伤数值模型;分别研究了单轴受拉预置裂纹试样和单轴受压混凝土试样的细观弹塑脆性损伤破坏行为,并揭示了混凝土的宏观表征强度存在明显的尺寸效应,通过将计算结果与 Bazant 尺寸效应公式、单轴受压物理实验曲线进行对比,验证了模型的正确性。数值试验表明：该模型可以清晰地模拟混凝土细观塑性屈服和失效裂纹的萌生和扩展。骨料与水泥砂浆间的界面粘结带相对薄弱,在混凝土试件形成宏观损伤局部化带前,试件的屈服和破坏首先发生在骨料边缘处的界面位置,并沿着界面粘结带扩展、贯通;同时,导致宏观裂纹形成和发展的因素仍以细观单元的拉伸破坏为主。     

A penny-shaped cohesive crack model for material damage

A novel micromechanics based damage model is proposed to address failure mechanism of defected solids with randomly distributed penny-shaped cohesive micro-cracks (Barenblatt–Dugdale type). Energy release contribution to the material damage process is estimated in a representative volume element (RVE) under macro hydrostatic stress state. Macro-constitutive relations of RVE are derived via self-consistent homogenization scheme, and they are characterized by effective nonlinear elastic properties and a class of pressure sensitive plasticity which depends on crack opening volume fraction and Poisson’s ratio. Several distinguished features of the present model are compared with Gurson model and Gurson–Tvergaard–Needleman (GTN) model, showing that the proposed model can better capture material degradation and catastrophic failure due to cohesive micro-crack growth and coalescence.     

Effective elastic moduli of two dimensional solids with distributed cohesive microcracks

Effective elastic properties of a defected solid with distributed cohesive micro-cracks are estimated based on homogenization of the Dugdale–Bilby–Cottrell–Swinden (Dugdale–BCS) type micro-cracks in a two dimensional elastic representative volume element (RVE).Since the cohesive micro-crack model mimics various realistic bond forces at micro-scale, a statistical average of cohesive defects can effectively represent the overall properties of the material due to bond breaking or crack surface separation in small scale. The newly proposed model is distinctive in the fact that the resulting effective moduli are found to be pressure sensitive.     

复合材料刚度性能表征的协同损伤力学模型

针对复合材料层合板的弥散型损伤,提出一个刚度性能表征的协同损伤力学模型. 该模型兼顾了微观物理损伤响应和宏观材料刚度性能表征. 从微观角度,建立细观RVE 模型求解裂纹表面张开位移和滑开位移,以此定义损伤张量,并在宏观上通过对材料应变和损伤表面位移进行均匀化处理,建立单向板或层合板的损伤刚度矩阵和损伤张量之间的联系. 以基体裂纹为例,详细分析并建立了横向裂纹和纵向裂纹的损伤本构. 计算了[±θ/90₄]_S 铺层层合板中基体横向裂纹对刚度性能的影响,结果表明该方法能够准确地预测复合材料层合板由损伤导致的刚度性能衰减.      

基于声发射矩张量分析混凝土破坏的裂纹运动

从细观上看, 混凝土是一种由骨料、水泥浆基体、裂纹等组成的非均匀复合材料. 单轴准静态加载条件下, 应力应变曲线表现出明显的准脆性特征. 其变形破坏过程实质上是内部微裂纹产生、扩展和汇合的过程, 研究细观尺度的裂纹扩展演化将有助于深入了解混凝土的变形和破坏过程. 声发射作为一种物理检测方法可以获取材料内部细观损伤演化的物理信息. 本文基于声发射技术, 结合改进的时差定位算法和矩张量理论对声发射信号进行分析, 反演了混凝土巴西劈裂破坏中裂纹位置、裂纹类型以及裂纹面运动方向, 揭示了混凝土宏观拉伸破坏的细观裂纹扩展机制. 结果表明: 裂纹运动过程清晰地显示了混凝土内裂纹源首先在试件与载荷接触面附近产生, 之后聚集形成局部损伤区域, 并沿轴线向中心扩展(加载平面)以及裂纹从试件中间向表面扩展的动态过程(厚度方向); 裂纹运动体积可以作为裂纹形成、扩展过程中弹性能释放的度量, 初始裂纹成核时体积参数较小, 峰值载荷时, 裂纹运动体积最大达到$5.93\times10^{-4}$ mm$^{3}$; 混凝土宏观尺度的拉伸破坏在细观尺度上存在有拉伸裂纹、混合裂纹以及剪切裂纹; 拉伸裂纹最多, 占裂纹总数约为60%, 剪切裂纹最少, 约占裂纹总数的10%; 拉伸裂纹运动主导了试件的宏观劈裂破坏.      

爆生气体作用下岩石裂纹的扩展机理

在爆生气体作用下 ,爆破近区的裂纹在气体驱动压力下扩展 ,而爆破中区的裂纹扩展是在气体膨胀压力场和原岩应力共同作用下发生的。基于岩石细观损伤断裂理论 ,认为裂纹扩展的过程就是裂纹尖端到周围岩石的逐渐损伤引起的损伤区移动过程 ;建立了这两个区域的损伤断裂准则和裂纹尖端的损伤局部化模型 ,可以更好地反映爆生气体作用下裂纹扩展的实际过程。     

Construction of quasi-brittle and quasi-ductile fracture diagrams based on necessary and sufficient criteria

Materials with a regular structure characterized by quasi-brittle and quasi-ductile fractures are considered in the case where the characteristic linear dimension of the structural element is known. Necessary and sufficient fracture criteria are constructed using the Neuber-Novozhilov approach. A modified Leonov-Panasyuk-Dugdale model for an opening mode crack is proposed where the width of the prefracture zone coincides with the width of the plasticity zone. For the critical parameters of quasi-brittle fracture (tensile stress, length of prefracture zones, stress intensity factors), relations are obtained that allow material fracture to be considered in the case where the crack length is negligible compared to the characteristic linear dimension of the structural element. A fracture diagram obtained using the critical stresses calculated from the necessary and sufficient criteria is considered in a wide range of crack lengths. The elastoplastic problem of extension of a plate with a central crack is solved using the finite-element method. The dimensions and shape of the plastic zone near the crack tip are determined for different levels of loads corresponding to quasi-brittle and quasi-ductile fracture. The obtained results are analyzed to estimate the width of the prefracture zone and the critical crack opening.     

岩石射孔开裂的初步数值模拟

岩石射孔作业后孔眼周围裂缝分布规律对后续压裂有不可忽视的影响。选取射孔围岩的横切面为研究对象，将三维射孔侵彻过程简化为二维扩孔过程。考虑岩石细观非均匀性，设细观强度参数服从韦布尔分布。应用拉伸破坏准则和Mohr-Coulomb压剪破坏准则，并用模量折减法处理单元开裂，从而用FEPG软件实现了有限元数值模拟。模拟结果表明:射孔后的岩石可根据裂缝产生原因及分布由内而外划分为四个区域:压剪破坏区、拉伸破坏集中区、拉伸破坏扩展区和未破坏区。分析了不同射孔弹规格及围压条件下裂纹分布变化规律。与室内模拟实验结果进行对比分析，初步验证了模型的有效性。     

基于单元破裂的岩石裂纹扩展模拟方法

传统离散元方法在处理破裂问题时, 采用界面上的准则进行判断, 裂纹只能沿着单元边界扩展. 当物理问题存在宏观或微观裂隙时, 在界面上应用准则具有其合理性; 而裂纹沿着单元边界扩展, 使得裂纹路径受网格影响较大, 扩展方向受到限制. 针对上述情况, 可以基于单元破裂的方式, 构建连续- 非连续单元法, 并应用于岩石裂纹扩展问题的模拟. 该方法在连续计算时, 将单元离散为具有物理意义的弹簧系统, 在局部坐标系下由弹簧特征长度、面积求解单元变形和应力, 通过更新局部坐标系和弹簧特征量, 可进一步计算块体大位移、大转动, 连续问题计算结果与有限元一致, 同时提高了计算效率. 在此基础上, 引入最大拉应力与莫尔—库伦的复合准则, 判断单元破裂状态和破裂方向, 并采用局部块体切割的方式, 在单元内形成初始裂纹. 裂纹两侧相应增加新的计算节点, 同时引入内聚力模型描述裂纹两侧的法向、切向作用与张开度及滑移变形之间的关系. 按此方式, 裂纹尖端处的扩展路径可穿过单元内部和单元边界, 在扩展方向的选取上更为准确. 最后, 通过三点弯曲梁、单切口平板拉伸、双切口试样等典型数值试验, 模拟裂纹在拉伸、压剪等各种应力状态下的扩展问题, 并对岩石单轴压缩试验的破坏过程进行模拟, 分析裂纹形成与应力—应变曲线各阶段之间的对应关系. 结果表明: 连续—非连续单元法通过单元内部破裂的方式, 可以显示模拟裂纹萌生、扩展、贯通直至形成宏观裂缝的过程.      

平面幂律塑性Ⅰ型裂纹尖端应力场全解

在航空航天、船舶、石油管道和核电等领域,服役结构或部件在长期极端条件下运行,不可避免地会产生裂纹,因此,为研究含裂纹结构的准静态断裂行为,必须了解裂纹尖端附近区域的应力应变场特点.对于幂律材料裂纹构元,研究平面应变和平面应力条件下Ⅰ型裂纹尖端应力场的解析分布.基于能量密度等效和量纲分析,推导了能量密度中值点代表性体积单元(representative volume element, RVE)的等效应力解析方程,并定义其为应力因子,进而针对有限平面应变和平面应力紧凑拉伸(compact tension, CT)试样和单边裂纹弯曲(single edge bend, SEB)试样,以应力因子作为应力特征量,并构造用于表征裂尖等效应力等值线的蝶翅轮廓式和扇贝轮廓式三角特殊函数,提出描述幂律塑性条件下平面I型裂纹尖端应力场的半解析模型.该半解析模型形式简单,对CT和SEB试样的裂尖应力场的预测结果与有限元分析的结果比较表明,两者之间均密切吻合,模型公式可直接用于预测Ⅰ型裂纹尖端应力分布,方便于断裂安全评价和理论发展.     

Influence of softening on fracture propagation in large-scale shell structures

In this study, fracture propagation in large shell elements is modelled with the softening law. This law is given in a general form, enabling investigations of different softening behaviours to be conducted. The final fracture is simulated by removing elements. The softening parameters are derived using the energy-based representative volume element (RVE) approach. Tracing crack propagation through the RVE defines the physically justified softening parameters for the current model. The softening model is implemented into ABAQUS using VUMAT subroutines for the shell elements. A large-scale tearing experiment is simulated with the current model and RVE-based softening parameters. In addition, the softening laws from the literature have been used. The fracture propagation is assessed in terms of plastic energy dissipation in the RVE and the whole structure, load–displacement, and crack growth. The RVE-based model is shown to have better performance compared with other models from the literature.