复合材料层合板低速冲击损伤分析的连续介质损伤力学模型

针对复合材料层合板低速冲击损伤问题,提出了一种各向异性材料连续介质损伤力学模型,模型涵盖损伤表征、损伤起始判定和损伤演化法则3 个方面. 通过材料断裂面坐标下的损伤状态变量矩阵完成损伤表征,并考虑断裂面角度的影响,建立了主轴坐标系下的材料损伤本构关系. 损伤起始由卜克(Puck) 失效准则预测,损伤演化由断裂面上的等效应变控制,服从基于材料应变能释放的线性软化行为. 模型区分了纤维损伤和基体损伤,并根据冲击载荷下层内产生多条基体裂纹继而扩展至界面形成层间裂纹(分层) 的试验观察,引入基体裂纹饱和密度参数表征层间分层. 以[0₃/45/-45]_S 和[45/0/-45/90]_4S 两种铺层的复合材料层合板为例,预测了不同冲击能量下复合材料层合板的低速冲击损伤响应参数,试验结果证明了连续介质损伤力学模型的有效性.模型在不同网格密度下的计算结果表明单元特征长度的引入可以在一定程度上降低损伤演化阶段对网格密度的依赖性.      

破片冲击作用下舰船复合材料结构损伤的近场动力学模拟

基于近场动力学方法，综合分析了破片的速度、层合板的铺层方式、加筋板的筋条尺寸和破片相对筋条的冲击位置对结构损伤模式和破片剩余速度的影响。结果显示:高速破片冲击作用下，层合板会发生侵彻和穿透现象，层合板的损伤模式以基体损伤为主，且随着破片冲击速度的增大，板上下表面的损伤区域呈现出一种先增大后减小的趋势；高速破片冲击作用下，层合的板损伤扩展方向和纤维铺设方向有关，对于纤维铺层方向相同的层合板，其上下表面的损伤扩展方向一般与纤维方向相同；加筋板通过增加少量质量可以获得比层合板更好的抗破片冲击性能，且加筋板的筋条尺寸和破片相对筋条的冲击位置对加筋板的损伤具有明显影响。     

计及界面损伤的复合材料正交(混杂)叠层板的应力集中分析

对正交(混杂)叠层复合材料最终拉伸破坏过程中的细观应力集中问题,提出了一种修正的剪滞分析模型;研究了叠层中由于90°层的基体开裂、层间界面破坏、0°层中部分纤维断裂及纤维/基体界面损伤相互作用所导致的细观应力重新分布,获得了相应的应力集中因子和界面破坏区长度与界面剪切强度的定量关系。本文结果为进一步研究正交叠层复合材料的细观破坏机理、最终拉伸强度及协同效应等提供了重要的理论依据。     

基于DIC技术的爆炸应力波过异质界面应变场演化规律实验研究

采用氯仿粘结聚碳酸酯（polycarbonate, PC）板和聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate, PMMA）板模拟含异质界面模型;在PC介质中布置柱状炮孔并与界面呈一定角度,根据炮孔端部与界面相对位置,分别于柱状炮孔两个端部设置起爆点,起爆点远离界面端部时定义为孔口起爆,靠近界面端部时定义为孔底起爆;借助数字图像相关实验系统,研究爆炸应力波通过异质界面后PMMA介质应变场演化过程及炮孔底部区域拉、压应变变化规律。实验结果表明,异质界面改变了爆炸应力波过界面后的传播形态。孔口起爆时,异质界面受爆破荷载作用后易形成应力集中区,界面处产生开裂,横向拉伸波作用是造成异质界面开裂的主要原因。起爆方式对过界面后介质PMMA的横/纵向拉、压应变场作用贡献不同,主要体现在应变场强度、拉/压应变场位置分布2个方面。在炮孔底部区域,起爆方式对应变场时程特性的影响主要体现在作用时效长短和应变强度2个方面。孔口起爆时,横/纵向应变体现出短时效、高强度的变化特征。就应变强度而言,起爆方式对横向压应变的影响显著强于其对纵向拉应变的影响。对空间分布特性影响主要体现在衰减程度,起爆方式对纵向应变衰减程度影响较大。无论采用何种起爆方式,爆炸应变场在PC介质中衰减速度较快,进入PMMA介质后衰减速度显著降低。     

考虑界面损伤层合梁板的层间应力分析

基于精确应力分析的广义六自由度板理论，应用变分原理和损伤力学中 的应变等效原理，考虑复合材料铺设层内和层间界面处的损伤效应，建立了具两种损伤模式 的复合材料层合板的三维非线性平衡微分方程，且运用有限差分法对考虑损伤简支层合梁板 的层间应力进行了求解.     

考虑夹杂相互作用的复合陶瓷夹杂界面的断裂分析

复合材料中夹杂含量较高时,夹杂间的相互作用能显著改变材料细观应力应变场分布,基体和夹杂中的平均应力应变水平也会发生较大变化,导致复合材料强度等力学性能发生显著变化. 为修正单一夹杂模型运用在实际材料中的误差,基于相互作用直推估计法,建立一种考虑含夹杂相互作用的夹杂界面裂纹开裂模型. 首先根据相互作用直推估计法,得到残余应力和外载应力共同作用下夹杂中的平均应力,再计算无限大基体中相同的夹杂达到相同应力场时的等效加载应力,将此加载应力作为含界面裂纹夹杂的等效应力边界条件,在此边界条件下求得界面裂纹尖端的应力强度因子,进而得到界面裂纹开裂的极限加载条件,并分析了夹杂弹性性能、含量、热残余应力、夹杂尺寸等因素对界面裂纹开裂条件的影响. 结果表明,方法能够有效修正单夹杂模型运用在实际材料中的误差,较大的残余应力对界面裂纹开裂有重要的影响,夹杂刚度的影响并非单调且比较复杂;在残余应力较小时,降低柔性夹杂刚度或者增大刚性夹杂刚度都有利于提高材料强度;扩大夹杂尺寸将导致裂纹开裂极限应力显著降低,从而降低材料强度.      

跌落冲击载荷下焊锡接点金属间化合物层的动态开裂

跌落冲击载荷作用下,含铅焊锡接点与无铅焊锡接点的破坏模式明显不同,而导致这种差异的原因目前尚不明朗。本文提出了一种可用于模拟焊锡接点在跌落冲击载荷下破坏行为的有限元模型,此模型中,金属间化合物（IMC）与焊料间的界面采用粘性区模型（CZM）来模拟其损伤开裂过程,而IMC层内的破坏程度则通过计算其能量释放率来判断。通过对板级封装跌落冲击过程的数值模拟发现,与无铅焊锡接点（Sn3.5Ag）相比,含铅焊锡接点（Sn37Pb）与IMC间的CZM层更容易发生损伤破坏,而该层的开裂会减小IMC层的应力,即降低了其内部的裂纹驱动力,从而缓解了IMC层裂纹的起始和扩展。     

非常规态型近场动力学热黏塑性模型及其应用

在非常规态型近场动力学(non-ordinary state-based peridynamics, NOSB-PD) 理论框架下构建了考虑应变率效应、塑性硬化、热软化效应和材料断裂特征的非局部三维热黏塑性固体本构模型以及相应的非局部空间积分型数值算法, 并应用于金属类材料和构件在冲击载荷作用等工况下的高应变率热黏塑性变形与破坏分析. 通过对经典含初始裂纹Kalthoff-Winkler板冲击试验进行三维近场动力学模拟, 可得到裂纹的起裂角度、扩展路径、扩展速度以及裂纹扩展过程中靶板等效应力和温度分布, 所得结果与已有试验结果和其他数值方法结果吻合较好. 在此基础上, 应用该模型分析了不同冲击速度作用下金属靶板的变形与裂纹扩展过程, 结果表明: 该模型能较好地模拟不同冲击速度(应变率)情况下靶板的变形与破坏全过程. 随着冲击速度变化, 初始裂纹的起裂时间、扩展方向和扩展速度呈一定规律变化. 冲击速度越低, 起裂时间越晚(直至冲击速度低于某值时初始裂纹不扩展), 裂纹扩展速度峰值越低, 冲击过程中靶板温度峰值越低, 完全扩展所需时间越长.      

非常规态型近场动力学热黏塑性模型及其应用

在非常规态型近场动力学(non-ordinary state-based peridynamics,NOSB-PD)理论框架下构建了考虑应变率效应、塑性硬化、热软化效应和材料断裂特征的非局部三维热黏塑性固体本构模型以及相应的非局部空间积分型数值算法,并应用于金属类材料和构件在冲击载荷作用等工况下的高应变率热黏塑性变形与破坏分析.通过对经典含初始裂纹Kalthoff-Winkler板冲击试验进行三维近场动力学模拟,可得到裂纹的起裂角度、扩展路径、扩展速度以及裂纹扩展过程中靶板等效应力和温度分布,所得结果与已有试验结果和其他数值方法结果吻合较好.在此基础上,应用该模型分析了不同冲击速度作用下金属靶板的变形与裂纹扩展过程,结果表明:该模型能较好地模拟不同冲击速度(应变率)情况下靶板的变形与破坏全过程.随着冲击速度变化,初始裂纹的起裂时间、扩展方向和扩展速度呈一定规律变化.冲击速度越低,起裂时间越晚(直至冲击速度低于某值时初始裂纹不扩展),裂纹扩展速度峰值越低,冲击过程中靶板温度峰值越低,完全扩展所需时间越长.     

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.      

On coupled gradient-dependent plasticity and damage theories with a view to localization analysis

Combinations of gradient plasticity with scalar damage and of gradient damage with isotropic plasticity are proposed and implemented within a consistently linearized format. Both constitutive models incorporate a Laplacian of a strain measure and an internal length parameter associated with it, which makes them suitable for localization analysis.The theories are used for finite element simulations of localization in a one-dimensional model problem. The physical relevance of coupling hardening/softening plasticity with damage governed by different damage evolution functions is discussed. The sensitivity of the results with respect to the discretization and to some model parameters is analyzed. The model which combines gradient-damage with hardening plasticity is used to predict fracture mechanisms in a Compact Tension test.     

单轴循环冲击下弱风化花岗岩的损伤演化

为研究爆破应力波作用下弱风化花岗岩的力学特性和损伤演化机理，利用直径50 mm的改进分离式Hopkinson压杆装置，开展以不同速度对花岗岩进行单次和等速循环冲击下的实验研究。研究结果表明:单次冲击中，用能量法确定的损伤阈值，可用于循环冲击实验中；不同应变率下弱风化岩石裂纹扩展阶段存在应力松弛平台，且随应变率升高而愈发明显，峰值应力与应变率呈正相关。等速循环冲击中，最大应力、应变与冲击速度呈正相关，与岩样累积冲击总次数呈负相关；损伤演化具有3个阶段呈倒S形，由其构建的双参数损伤演化模型拟合效果理想，且具有物理意义；利用模型中的参数α和β可计算中值点处的损伤度和相对循环次数，且与冲击速度正相关；不同损伤变量计算的损伤演化模型不同，合理定义损伤变量是必要的。     

含热冲击预损伤的陶瓷基复合材料损伤本构模型

陶瓷基复合材料结构在服役过程中不可避免地经受热冲击(较高的热应力梯度)而产生热机械损伤, 因此, 建立含循环热冲击预损伤材料的损伤本构模型, 以描述材料在热机械载荷作用下的力学行为, 对材料结构损伤容限设计与结构完整性评估非常重要. 本文首先对经历了循环热冲击的材料进行单调拉伸损伤实验, 发现对于含循环热冲击预损伤的材料, 其弹性模量的下降与所施加的应变直接相关. 然后在连续介质损伤力学的框架下, 基于平面应力假设, 建立了含循环热冲击预损伤材料的损伤演化模型, 该模型所涉及的参数可通过一个偏轴(45$^\circ$)以及两个正轴(平行于两个主方向)的单调拉伸试验获得. 最后, 采用经典塑性理论对由基体损伤引起的非弹性应变进行了描述. 本文所提出的应变损伤宏观模型可以描述陶瓷基复合材料在热机械载荷作用下的损伤演化, 同时弥补了含预损伤的陶瓷基复合材料在机械载荷下损伤本构模型在理论及实验研究方面的不足.      

A ductile damage criterion at various stress triaxialities

The paper discusses the effect of stress triaxiality on the onset and evolution of damage in ductile metals. A series of tests including shear tests and experiments on smooth and pre-notched tension specimens was carried out for a wide range of stress triaxialities. The underlying continuum damage model is based on kinematic definition of damage tensors. The modular structure of the approach is accomplished by the decomposition of strain rates into elastic, plastic and damage parts. Free energy functions with respect to fictitious undamaged configurations as well as damaged ones are introduced separately leading to elastic material laws which are affected by increasing damage. In addition, a macroscopic yield condition and a flow rule are used to adequately describe the plastic behavior. Numerical simulations of the experiments are performed and good correlation of tests and numerical results is achieved. Based on experimental and numerical data the damage criterion formulated in stress space is quantified. Different branches of this function are taken into account corresponding to different damage modes depending on stress triaxiality and Lode parameter. In addition, identification of material parameters is discussed in detail.     

高应变率下计及损伤演化的材料动态本构行为

材料在高速变形过程中常常伴有不同形式的内部缺陷或微损伤的演化。大量的实验观察表明,损伤演化同时依赖于应变、应变率和温度,而且高应变率和低温之间有某种等价性。由此基于热激活机制,提出了同时依赖于应变率和应变的微损伤演化律,及相应的计及损伤弱化效应的率型本构关系。以聚丙烯/尼龙（PP/PA）共混高聚物为例,具体研究了其计及损伤演化的ZWT本构关系,并区分其率相关的本构响应及率相关的损伤演化响应。     

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为降低用来确定疲劳极限的升降法试验的工作量，以热力学为基础，引入损伤驱动力，构建 损伤演化方程. 积分此方程得到疲劳寿命与应力或应变的理论关系. 对光滑试件，根据成组 法疲劳试验结果利用最小二乘法拟合包括疲劳极限在内的材质参数. 利用损伤力学方法求得 高应力区的疲劳寿命曲线，由此递推得到低应力区寿命值和疲劳极限. 所得理论疲劳极限值 与升降法疲劳试验结果十分吻合. 节约了疲劳试验的机时、费用与人力.     

Damage theory of materials with microstructure

A new form of damage theory of materials is proposed, that is valid for the case of nonconservative stresses. The partial entropy, strain and microstructure parameters are taken as the state variables. Without assuming the free energy to be a state function, the basic governing equations are derived. According to the balance of released and dissipated energy, the general form of damage evolution equation is obtained. Further, assuming the existence of independent damage mechanisms, the normality of damage evolution equation is proven. The generalized damage variables are discussed. Finally, some examples are given to show the applications of the theory. Projects Sponsered by the Joint Seismological Science Foundation.     

A framework for multiplicative elastoplasticity with kinematic hardening coupled to anisotropic damage

The objective of this contribution is the formulation and algorithmic treatment of a phenomenological framework to capture anisotropic geometrically nonlinear inelasticity. We consider in particular the coupling of viscoplasticity with anisotropic continuum damage whereby both, proportional and kinematic hardening are taken into account. As a main advantage of the proposed formulation standard continuum damage models with respect to a fictitious isotropic configuration can be adopted and conveniently extended to anisotropic continuum damage. The key assumption is based on the introduction of a damage tangent map that acts as an affine pre-deformation. Conceptually speaking, we deal with an Euclidian space with respect to a non-constant metric. The evolution of this field is directly related to the degradation of the material and allows the modeling of specific classes of elastic anisotropy. In analogy to the damage mapping we introduce an internal variable that determines a back-stress tensor via a hyperelastic format and therefore enables the incorporation of plastic anisotropy. Several numerical examples underline the applicability of the proposed finite strain framework.     

增量型各向异性损伤理论与数值分析

考虑到目前各向异性损伤理论存在一些不足,该文在增量型各向异性损伤理论的框架下,引入二阶对称张量,构造四阶对称有效损伤张量,建立了有效应力方程．类似于塑性流动分析方法,定义了增量弹性应力．应变关系．利用von Mises塑性屈服准则,并考虑各向异性损伤效应,推导出四阶对称的弹．塑性变形损伤刚度张量,其对称性反映了材料的固有特性．根据物体的变形和现时损伤状态,构造了材料损伤演化方程,方程中各项具有明确的物理意义．通过对A12024-T3金属薄板单向拉伸的有限元分析,确定了损伤演化参数,验证了损伤演化方程的正确性．此外还对含孔口薄板做有限元模拟,讨论了反力—位移曲线的变化规律以及它所揭示变形性质,给出了损伤场的分布规律。     

Modelling of quasi-brittle behaviour: a discrete approach coupling anisotropic damage growth and frictional sliding

The paper provides development of the model of anisotropic damage by microcracking proposed by Bargellini et al. 2006. This model is based on a discrete approach, which introduces a finite set of microcrack densities associated with fixed directions. This approach avoids inconveniences encountered when using a single second order tensor damage variable D (non uniqueness of the free energy) and strain decomposition into positive and negative parts (spurious dissipation at crack closure). Frictional sliding on closed microcracks is introduced as an additional dissipative mechanism; it is represented by a second order sliding variable in each damage direction. Corresponding sliding criteria and non-associated sliding evolution laws, formulated in the strain space for the model coherence, permit to account for hysteretic phenomena. Unilateral effect is taken into account; Young's and shear moduli are correctly restored at microcrack closure. The crucial requirements of continuity of the energy and of stress–strain response are ensured through relevant conditions on parameters and sliding variables values at opening-closure. The discrete approach, associated with some hypotheses concerning damage evolution, permits to couple damage and dissipative sliding. The pertinence of the proposed theory is illustrated by simulating first elastic properties at constant damage, then by considering a specific loading path involving both damage and friction evolutions.