基于显微CT图像的近场动力学建模与复合材料微结构破坏模拟

随着纤维增强复合材料应用领域的不断扩展且用量激增,亟需理清复合材料微观结构损伤对宏观力学性能影响的内在机制。因此,发展针对纤维增强复合材料微结构破坏过程的建模与高效模拟方法就显得十分重要。本文借助显微CT(Micro-computed Tomography)扫描技术,提出了一种基于显微CT图像中像素点离散的近场动力学建模与模拟方法。一方面,近场动力学作为一种由积分方程建模的非局部理论,便于采用基于空间点离散的数值计算方法,相比传统的连续介质力学能够更有效地模拟材料从连续变形到裂纹萌生与扩展(非连续变形)的全过程。另一方面,对显微CT图像使用像素点灰度阈值分割处理技术,能够快速建立含有复合材料原位微结构信息的空间点离散模型。该离散模型可以直接用于微结构破坏过程的近场动力学模拟,从而避免了传统的数值模拟技术需要依据像素点先建立光滑的几何模型、再划分成有限单元网格的复杂前处理过程,并且极大地保留了复合材料的原位组分分布信息。数值模拟结果表明,基于显微CT图像的近场动力学建模方法能够精确捕捉到复合材料微结构信息,并能准确模拟纤维增强复合材料的微结构破坏过程。     

裂纹扩展独立于网格的一种有限元单元子划分方法

提出了一种有限元模拟裂纹扩展的单元子划分结合子结构的方法。本方法中,裂纹可以进入或穿过一个单元,或沿单元的边界扩展,因此裂纹可以沿任意路径扩展而不受初始网格的限制。对上述几类包含裂纹的单元按照裂纹的路径进行子划分,覆盖一条裂纹的所有子划分单元就组成了一个子结构,子结构规模随裂纹的扩展而增大。子结构中因单元子划分而新增的结点自由度,通过自由度的凝聚用初始网格结点的自由度表示,因此结构整体分析的总自由度不变。以上述方法为基础建立了裂纹萌生和扩展的准则。用本文的方法分析了单（双）材料无限大平面中心（界面）裂纹的裂尖场,验证了本文方法的精度,并模拟了颗粒复合材料中微裂纹在颗粒、基体和界面中逐步扩展的过程,考核了本文方法对复杂裂纹扩展问题模拟的适用性。     

短纤维增强复合材料破坏过程的数值模拟

利用一个材料破坏过程分析程序ＭＦＰＡ＾２Ｄ系统,研究了短纤维增强复合材料的破坏过程,研究表明,对于非均匀脆性材料而言,纤维与基体的强度、弹性模量经级纤维的弹塑性性质对宏观材料的强度和韧性有很大的影响,数值模拟再现了短纤维增强复合材料的变形、破坏全过程,包括纤维的止裂与桥连作用及微裂纹的萌生、扩展直至最宏观贯通。     

基于内动力的对径压缩岩石拉张破裂演化规律研究

岩石是一种复杂的天然非均匀脆性材料，拉压性能差距较大，拉破坏往往控制着岩石工程整体的稳定性.论文将岩石内部某一点在一定尺度范围内所受内力的差异性定义为内动力，进行了对径压缩岩石拉张破裂裂纹扩展实验.采用高速摄像机捕捉破裂瞬时拉张裂纹扩展过程并用数字散斑软件分析第一主应变演化过程.采用连续-非连续方法模拟对径压缩岩石拉张裂纹扩展过程.从实验结果可以看出：拉张破裂裂纹扩展分为三个阶段：拉张破裂变形累计阶段(宏观无裂纹)、拉张破裂裂纹稳定扩展阶段、拉张破裂裂纹动态张裂阶段.将实验、数值计算结果与解析解进行对比分析，实验与数值计算结果扩展规律基本一致，但是与弹性力学解析解不同.解析解基于均匀性假设，而外载荷及岩石本身是非均匀的.外载荷及岩石本身的非均匀性是裂纹起裂点、扩展路径与解析解不相同的主要原因.综合分析给出拉张破裂裂纹扩展规律：当外载荷作用下内动力超过原子或分子连接力则裂纹扩展，扩展方向与内动力的方向垂直.岩石拉张破裂裂纹扩展演化规律的研究可为岩石工程拉张破坏的预防和控制提供理论依据.     

准静态变形破坏的近场动力学分析

基于近场动力学理论,提出新的更能反映非局部长程力特性的物质点间作用力函数,并通过在物质点运动方程中引入局部阻尼、构造分级加载算法和系统失衡判断准则,实现了采用统一的近场动力学模型和算法进行从准静态变形、裂纹萌生和扩展直至结构破坏全过程的连续模拟和准确定量计算。     

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.      

模拟岩石材料脆性破裂过程的三维离散元模型

发展一种能够模拟岩石材料脆性破裂过程的三维不规则、可变形块体离散元模型.一方面,在裂纹扩展过程中动态地将潜在破坏的连续块体沿潜在破坏方向细化为若干子块体,并在子块体之间的界面上设置连接型弹簧;另一方面,连接型弹簧在满足张拉-剪切复合破坏准则时发生脆性破裂,转变为接触型弹簧,实现材料由连续到非连续的破裂.借助动态松弛技术完成求解,通过计算实例验证该方法的适用性.     

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.     

混凝土三点弯曲梁裂缝断裂全过程数值模拟研究

考虑裂缝黏聚力的作用,基于Paris位移公式推导出混凝土三点弯曲梁裂缝扩展过程中断裂过程区上的裂缝张开位移的解析表达式.采用起裂韧度作为裂缝起裂及扩展的判断标准,提出了荷载作用下混凝土裂缝起裂、扩展及失稳破坏全过程的数值模拟方法,并分别与国内外断裂试验实测值及有限元计算值进行了比较.结果表明,本文提出的数值模拟方法形式简单且精度较好.     

考虑单元劈裂的流-固耦合连续-非连续方法及定向水力压裂模拟

为了更真实地模拟水力压裂过程中的岩石变形、裂缝扩展及流体流动,在自主开发的拉格朗日元与离散元耦合的连续-非连续方法的基础上,发展了一种流-固耦合方法。在该方法中,裂缝可沿四边形单元对角线和单元边界扩展,流体流动满足立方定律。通过与单一裂缝非稳态渗流模型及KGD模型的理论解进行对比,验证了该方法的正确性。由定向射孔水力压裂的模拟结果可以发现,(1)距离射孔越远,流体压力越小;随着时间的增加,裂缝中流体压力降低。(2)随着射孔角度的增加,裂缝起裂和扩展过程中的流体压力及转向距离增加;随着x方向水平应力的增加,裂缝起裂和扩展过程中的流体压力增加;两个方向水平应力之差越大,裂缝转向距离越小。(3)随着时间的增加,裂缝区段数目的增速变慢,这与裂缝体积增加变快有关。     

承压热冲击下RPV承载力影响因素的数值分析

为研究承压热冲击下含缺陷的核反应堆压力容器(RPV)的极限承载力,借助ABAQUS软件建立含表面裂纹的RPV的3D有限元模型．通过热-力耦合分析,分别得到筒体区和喷嘴区的瞬态温度场和应力场．考虑到实际RPV断裂试验工作具有相当大的危险性,使用扩展有限元法(XFEM)对裂纹的扩展情况进行数值模拟．通过对含有不同位置和尺寸裂纹、具有不同壁厚容器的极限承载力分析,得到满足强度条件的各临界裂纹尺寸．结果表明,当表面裂纹距喷嘴口的距离达到一定程度,其长度对RPV结构的极限承载力不构成影响．在喷嘴区,随裂纹距喷嘴口距离的减小,临界裂纹尺寸迅速减小,喷嘴口上仅允许深长比较小的浅表面裂纹出现．     

冻融循环下预应力CFRP板加固钢筋混凝土梁的耐久性研究

预应力CFRP加固混凝土结构技术由于具有显著优势,越来越多地被应用在桥梁加固中,本文针对冻融循环作用下预应力CFRP板加固钢筋混凝土梁的耐久性能进行了实验研究。通过12片加固梁试件的实验研究了不同次数冻融循环作用下预应力CFRP板加固梁的破坏形态和承载性能,分析了混凝土强度等级、冻融循环次数、CFRP初始应力水平等因素对加固梁耐久性能的影响。实验结果表明:经历冻融循环后试件的开裂荷载和极限承载能力都有了不同程度的下降,冻融侵蚀对CFRP加固混凝土结构产生了明显的不利影响;随着冻融循环次数的增加,加固试件的破坏模式逐渐由混凝土保护层剥离转变为界面剥离的破坏形态;冻融循环作用对预应力加固试件的整体不利影响要大于非预应力试件;混凝土强度为C60的预应力CFRP加固试件在冻融侵蚀作用下的退化要较强度为C30的加固试件显著。     

钢筋混凝土T型梁在不同荷载(裂纹)下的试验模态分析及非线性外推

混凝土结构在大荷载作用下出现裂纹,其模态参数呈非线性规律.本文采用分段线性假设进行简化,即认为结构在不同级的荷载下对应有局部的线性特性.对钢筋混凝土T型简支梁在若干不同等级纯力加载并产生相应裂纹的情况下,分别进行试验模态分析,然后用非线性最小二乘拟合的方法,对所得各线性结果进行综合,以推求各种载荷作用(裂纹)下模态参数非线性变化规律.有关研究表明,将这种方法提供的结果用于桥梁承载力的动态法测定是合理可行的.     

数学网格和物理网格分离的有限单元法(I):基本理论

常规有限单元法在复杂边界问题的网格剖分、可移动边界和非连续变形问题的数值模拟等方面存在困难.本文将常规的有限单元分离为几何上相互独立的数学单元和物理单元,基于数学单元构造近似函数,引入位移模式关联法则以确定物理单元的位移模式,提出了在现有有限单元法框架内、基于数学网格和物理网格分离的强化有限单元法(FEM++).与常规有限单元法(SFEM)比较表明,强化有限单元法不仅很好地克服了常规有限单元法网格剖分上的困难,而且提供了一条更简便、更自然的分析移动边界问题和非连续变形问题的新途径.最后,通过数值算例验证了强化有限单元法的适用性和有效性.     

基于双向渐进结构优化法的“破损-安全”结构轻量化设计

“破损-安全”(fail-safe)设计通过冗余载荷路径设计提升结构的损伤容限(残余承载能力),是保障飞行器结构安全性的重要设计环节；然而，冗余结构形式不可避免地导致重量增加、效率降低，严重制约飞行器结构性能的进一步提升.论文基于双向渐进结构优化法(Bi-directional Evolutionary Structural Optimization),提出了一种“破损-安全”结构轻量化设计方法.具体地，设计方法采用“0/1”离散拓扑变量，以结构重量(材料用量)最小化作为优化目标，同时对局部破损结构的承载形变进行约束(低于安全阈值).针对渐进结构优化法难处理多设计约束的瓶颈，采用p范数法对局部破损结构的最大承载形变进行凝聚，并通过拉格朗日乘子将其耦合至优化目标函数，实现结构轻量化与“破损-安全”的同步设计.进一步地，并依据最大残余承载形变对局部区域破损之于“破损-安全”的影响程度进行判定，通过免除低影响局部破损区域的残余承载形变分析与约束，大幅度地提升了优化设计效率.通过系列基准测试算例，验证了论文“破损-安全”设计方法的有效性及高效性.     

数学网格和物理网格分离的有限单元法(II):粘聚裂纹扩展问题中的应用

强化有限单元法将物理网格与数学网格分离开来,可以方便地描述非连续变形;粘聚区域模型是模拟断裂过程区作用最简单有效的方法,且可以避免裂纹尖端的应力奇异性.本文以平面问题为例,将强化有限单元法与粘聚区域模型相结合,利用富集数学节点描述任意粘聚裂纹扩展过程中的非连续变形问题,提出了裂纹扩展过程中数学节点富集和数学单元定义的方法.本文还导出了与平面4～8节点平面等参单元对应的8～16节点粘聚裂纹单元列武.最后,通过三点弯梁的裂纹扩展过程模拟验证了本文提出的粘聚裂纹扩展模拟方法的有效性.     

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.      

一种考虑界面不连续的改进的有限粒子法

有限粒子法（finite particle method，FPM）作为SPH（smoothed particle hydrodynamics）方法的重要改进，有效提高了边界区域粒子的近似精度，但是当FPM处理多物理场时，在不连续界面附近的计算精度会大大降低，并且FPM必须满足的矩阵非奇异性也提高了对界面处理的要求。本文中基于DSPH（discontinuous SPH）方法，提出了一种考虑界面不连续的改进FPM—DSFPM（discontinuous special FPM）法，旨在改善FPM在界面不连续处的计算精度，从而进一步提高其计算效率和稳定性。首先，分析了DSFPM的核近似精度。其次，根据不同的工程问题，给出DSFPM处理小变形和大变形问题的算法流程。利用DSFPM、DSPH和FPM等3种方法对弹性铝块小变形碰撞冲击算例进行了模拟，通过对比分析铝块的速度和应力以及计算时间验证了DSFPM算法在非连续界面处计算精度和计算效率的优势。最后，通过结合DSFPM和DFPM（discontinuous FPM）实现了对于大变形问题的模拟。     

假肢接受腔-人体皮肤界面往复摩擦能量损耗的研究

利用万能材料试验机和多功能数据采集分析系统,在往复摩擦模式下模拟假肢接收腔-残肢皮肤穿戴界面,研究了不同切向力作用下两种常用的假肢接受腔材料与皮肤的摩擦能量损耗.结果表明:接受腔-皮肤界面往复摩擦过程中,随着切向力的增加,皮肤发生的弹性变形增大,皮肤摩擦前后的温差增加,摩擦过程中的能量损耗增大.接受腔材料表面结构直接影响着残疾人穿戴假肢的舒适性.相较于表面粗糙度较大的国内生产接受腔材料,表面粗糙度较小的进口接受腔材料降低了皮肤的摩擦能耗,减轻了皮肤的发热和变形,降低了皮肤损伤的风险,提高了与皮肤界面的适配性.     

泊松比对钢管混凝土拱桥极限承载力的影响

主要研究在几何和材料双非线性影响下,分析大跨度钢管混凝土拱桥钢管内混凝土泊松比变化对桥梁极限承载力的影响.。以某桥为背景,利用ansys程序进行三维有限元仿真分析,在考虑混凝土泊松比变化情况下,逐步改变核心混凝土泊松比直至结构破坏,并与不考虑混凝土泊松比变化的情况相比较,以考察核心混凝土泊松比变化对桥梁极限承载力影响程度,得出在对拱桥的极限承载力分析时,考虑钢管对核心混凝土的套箍作用,可使极限承载力比不考虑混凝土泊松比变化时的计算值高出10%。