Elasto-plastic postbuckling of damaged orthotropic plates

Based on the elasto-plastic mechanics and continuum damage theory, a yield criterion related to spherical tensor of stress is proposed to describe the mixed hardening of damaged orthotropic materials. Its dimensionless form is isomorphic with the Mises criterion for isotropic materials. Furthermore, the incremental elasto-plastic damage constitutive equations and damage evolution equations are established. Based on the classical nonlinear plate theory, the incremental nonlinear equilibrium equations of orthotropic thin plates considering damage effect are obtained, and solved with the finite difference and iteration methods. In the numerical examples, the effects of damage evolution and initial deflection on the elasto-plastic postbuckling of orthotropic plates are discussed in detail.     

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.      

基于CT扫描的环氧树脂基混凝土裂缝观测与冲击损伤演化研究

环氧树脂基混凝土是一种新型路面铺装材料。本文估算了道路使用过程发生"跳车"现象时货车车轮对路面产生的冲击荷载,根据计算结果,利用落锤冲击试验机对含有不同程度初始损伤的环氧树脂基混凝土试件进行多次冲击试验,研究其冲击疲劳现象。为了准确描述环氧树脂基混凝土的初始损伤,采用CT(计算机断层)扫描技术重构了试件的立体图像,对其中的内部裂缝进行了统计,建立了初始损伤裂缝体积占试件体积的百分比与基于材料弹性模量衰减的损伤变量之间的关系。通过追踪经受一定次数冲击后试件的弹性模量,分析了不同程度初始损伤下环氧树脂基混凝土的冲击损伤随冲击次数的变化规律;结合多次冲击荷载下环氧树脂基混凝土弹性模量的衰减,研究了初始损伤对环氧树脂基混凝土冲击疲劳过程中损伤演化规律的影响。     

岩石材料的一种蠕变损伤方程

通过大量的岩石蠕变试验研究，总结出了以能描述损伤历史的蠕变模量为参数的岩石蠕变损伤方程，由该方程能方便地定出任意蠕变时刻的损伤状态和进行蠕变损伤的测定。     

STUDY ON DAMAGE BIFURCATION AND INSTABILITY OF ROCK-LIKE MATERIALS

The critical bifurcation orientation and its corresponding hardening modulus for rock-like geomaterials are derived by considering the effect of stiffness degradation and volumetric dilatancy under the assumption of isotropic damage. The dependency of the localized orientation on the degree of damage and initial Poisson's ratio of rock is examined and the bifurcation behavior of the uniaxial compression sample under the plane-stress condition is compared with that under plane-strain condition. It is shown that the localization orientation angle intimately depends on both the initial Poisson's ratio and degree of damage for the rock sample under the uniaxial compression condition. As the initial Poisson's ratio or degree of damage increases, the orientation angle of the plane on which localization tends to be initiated gets to decrease. At the same time, the localization orientation angle of a rock sample under the plane-stress condition is larger than that under the plane-strain condition.     

考虑初始缺陷与弹性模量的岩石变形破坏过程模拟方法

针对扰动作用下岩石存在初始缺陷的特点,通过探讨含初始缺陷岩石变形力学特征,根据含初始缺陷岩石弹性模量的变化情况,建立了初始损伤的确定方法。然后,引入几何损伤理论,通过分析三轴压缩条件下岩石损伤演化规律,建立了含初始缺陷岩石损伤模型,进而建立了考虑初始缺陷与弹性模量的岩石统计损伤本构模型,并给出了参数的确定方法。最后,通过砂岩三轴压缩试验资料分析得出:本文理论模型能够反映不同围压作用下含初始缺陷岩石的变形破坏全过程,与试验曲线较为接近;且常见损伤模型是本文理论模型的特例,表明本文模型和方法具有一定的合理性与可行性。     

A CREEP DAMAGE EQUATION FOR ROCKS

In this paper,based on many experimental results,a creep damageequation for rocks with a creep modulus that can describe the history of damage hasbeen deduced.According to the equation,a creep damage model for rock materials isconstructed,and it is shown that the extent of their damage,or damage degree,duringcreep can be determined by means of simple experiments.     

混凝土材料冲击特性的研究

基于混凝土材料强冲击加载下的试验研究，提出了两种损伤型动态本构模型： 损伤型黏弹性本构模型和损伤与塑性耦合的本构模型. 通过模型计算结果与冲击试验结果的 比较可发现，随着冲击速度的提高，混凝土材料内部产生了显著的塑性变形，由此 损伤型黏弹性本构模型的应用就存在一些不足. 而损伤与塑性耦合的本构模型由于考虑了裂 纹扩展引起的材料强度和刚度的弱化，以及微空洞缺陷塌陷引起的塑性变形，因而能更好地 用于模拟强冲击载荷作用下混凝土材料的冲击响应特性.     

冻融环境下红砂岩力学特性试验及损伤分析

将实验研究与损伤力学理论分析相结合,对红砂岩进行饱水状态下的冻融循环试验及不同冻融次数下的力学特性试验,分析了岩石的冻融损伤劣化过程,系统研究了岩石的变形破坏规律及损伤扩展力学特性.研究表明:红砂岩呈现出剥落和断裂的冻融损伤劣化模式;随着冻融次数的增加,岩石的强度及弹性模量急剧降低,并表现出压密性增大、弹性减弱、塑性增强的特征;岩石初始细观结构的缺陷经过损伤的非线性演化,表现出宏观力学性能的劣化.     

STUDY ON NONLINEAR CONSTITUTIVE RELATIONSHIP AND FRACTURE BEHAVIOR OF STITCHED C/SiC COMPOSITES$^{\bf 1)}$

C/SiC复合材料具有高比强度、高比模量和优良的热稳定性能等一系列优点, 广泛应用于航空航天领域中. 裂纹扩展进而引起的脆性断裂是其主要失效形式之一, 因而材料的断裂性能分析对材料的结构设计和应用有重要的指导意义. 本文开展了缝合式C/SiC复合材料简单力学试验和断裂试验, 研究了材料在不同载荷下的力学响应及断裂特征. 基于缝合式C/SiC复合材料简单力学试验, 建立了材料宏观非线性损伤本构方程, 并模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 本构方程采用简单函数描述了材料在复杂应力状态下的非线性应力-应变曲线, 并考虑了反向加载过程中造成的裂纹闭合. 基于商业有限元软件ABAQUS, 通过编写UMAT子程序实现非线性损伤本构方程, 采用单个单元验证了建立的本构方程的有效性. 在此基础上, 采用线弹性损伤本构和非线性损伤本构分别模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 采用非线性损伤本构方程模拟的力-位移曲线结果与试验结果更为吻合, 非线性损伤本构预测的失效载荷与试验失效载荷更为接近, 验证了所建立的非线性损伤本构方程的准确性, 为C/SiC复合材料断裂行为的研究提供了借鉴, 为缝合式C/SiC复合材料结构的设计和应用提供了理论基础.     

基于Burgers模型考虑损伤的岩石蠕变全过程研究

岩石蠕变是一个显著的非线性问题，而经典的Burgers 模型是一种线性蠕变模型，必然不能全面地描述岩石蠕变的全过程．当岩石处于高应力水平下的加速蠕变阶段，岩石内部损伤会不断产生和累积，蠕变呈现出明显的非线性特征．为了更好地描述考虑损伤的岩石蠕变全过程，本文假定加速蠕变阶段的损伤演化方程，将损伤引入到Burgers 模型中，提出了一种非线性蠕变损伤模型．然后以乔后盐矿试件蠕变实测数据为分析案例，验证模型在应用于实际工程时的准确性和适用性．最后根据Origin 软件数值拟合的结果，表明本文所提出的非线性蠕变损伤模型能很好地描述岩石蠕变全过程，模型参数取值也在合理范围之内，模型拟合曲线与实验所得数据具有较好的一致性．     

随机梁式结构静力损伤识别的一种改进方法

针对已有的损伤识别方法会出现损伤误识别的问题,本文在已有方法的基础上发展了一种随机梁式结构静力损伤识别的改进方法。假定静力荷载下梁式结构初始模型参数（如弹性模量和几何尺寸等）及测量误差为随机量,给出已有的基于随机有限元模型的梁式结构静力损伤识别方法,并进一步提出了一种改进方法。该方法通过设定损伤概率指标的阈值和反复迭代对结构损伤识别进行改进。数值算例和简支梁静力试验表明,考虑初始模型的不确定性以及静力响应测量误差,本文方法相较已有方法可以更有效地识别梁式结构的损伤。     

钢纤维混凝土的弹塑性损伤模型

根据钢纤维混凝土在反复荷载下的弹性变形规律,从应变等价性原理出发,提出了弹塑性损伤模型;分析了以往用卸载刚度代替变形模量所带来的问题。     

基于应变等效性假说的损伤定义的适用条件

研究了基于应变等效性假说的损伤定义方法，分析了定义中“材料损伤前后弹性模量”的物理含义。指出该方法只适用于间接描述弹（脆）性材料损伤行为，不能简单地用受荷过程中的“卸载模量”代替假说中的“受损弹性模量”来描述具有不可逆塑性变形特征的弹塑性损伤行为，否则将可能导致对损伤行为的误判。此外，本文给出了一种耦合塑性形变和损伤机制影响的弹塑性损伤定义。     

A nonlinear threshold model applied to spallation analysis

Spallation in heterogeneous media is a complex, dynamic process. Generally speaking, the spallation process is relevant to multiple scales and the diversity and coupling of physics at different scales present two fundamental difficulties for spallation modeling and simulation. More importantly, these difficulties can be greatly enhanced by the disordered heterogeneity on multi-scales. In this paper, a driven nonlinear threshold model for damage evolution in heterogeneous materials is presented and a trans-scale formulation of damage evolution is obtained. The damage evolution in spallation is analyzed with the formulation. Scaling of the formulation reveals that some dimensionless numbers govern the whole process of deformation and damage evolution. The effects of heterogeneity in terms of Weibull modulus on damage evolution in spallation process are also investigated.     

具有广义力场损伤粘弹性梁-柱的广义变分原理及应用

本文从考虑损伤的粘弹性材料的卷积型本构关系出发,建立了在小变形下损伤粘弹性梁-柱的控制方程。提出了以卷积形式表示的梁-柱弯曲问题的泛函,并给出了损伤粘弹性梁-柱的广义变分原理。应用这个广义变分原理,可分别给出梁-柱位移和损伤满足的基本方程,以及相应的初始条件和边界条件。应用Galerkin截断和非线性动力学的数值分析方法,分析了两端简支损伤粘弹性梁柱的动力学行为,给出了不同的材料参数对系统响应的影响。     

利用位移引伸计测定薄板单轴损伤演化曲线的试验方法研究

一套准确而又简便的测试损伤变量的实验方法，对于推动连续介质损伤力学的工程应用是至关重要的。本文系统研究了利用位移引伸计测定薄板材料单轴损伤演化曲线的试验方法。采用引伸计测量大圆弧变截面试样中心部位某一标距段的伸长量，然后计算得到弹性模量的变化，进而确定损伤变量。文中就试样形状尺寸的确定、主损伤区弹塑性大应变的测控和卸载弹性模量的稳定性、与精确测量等关键测试技术问题进行了深入细致的分析和实验研究，并从多角度对该试验方法的正确性进行了实验验证。文中还介绍了该试验方法在确定LY12-CZ铝合金薄板单轴损伤演化曲线的应用，实验表明本文建议的试验方法是简便有效的，初步奠定了发展标准化损伤曲线测试方法的基础。     

基于塑性体积应变的岩石损伤变形特性实验研究

为分析岩石塑性变形与损伤的关系,在定义岩石的初始损伤和临界损伤,提出塑性体积应变分析方法,从而以塑性体积应变为损伤变量,采用归一化方法建立岩石的损伤本构模型。采用递增循环加载实验确定岩石损伤本构模型中的弹性卸载模量和弹性应变比例系数两个参数。通过实验和理论分析得出:当荷载较小时,普通单轴压缩状态下岩石损伤随荷载的增加具有减小趋势,荷载超过一定数值后,岩石损伤才开始增加;单轴递增循环压缩状态下当循环荷载大于约35%峰值强度后,卸载后岩石的损伤具有增加的趋势,小于该荷载之前具有减小的趋势。整个加载过程的理论应力-应变曲线能很好地与实验结果相吻合,在循环加载区间理论结果还能体现出岩石实验结果中的回滞环。     

金属材料的非线性疲劳累积损伤模型及强度衰减分析

用连续介质损伤力学的方法推导得到了一个非线性的损伤发展方程，该方程计及了加载过程应力与损伤的完全耦合效应；又由损伤发展方程得到了一个计及加载循环周内和循环周间损伤积累非线性效应的完全非线性疲劳累积损伤模型，已有的部分非线性疲劳累积损伤模型成为它的特例。由损伤发展方程确定了材料剩余强度随损伤发展的衰减规律和临界损伤值。     

Al2O3陶瓷材料应变率相关的动态本构关系研究

采用改进的SHPB实验方法对Al2O3陶瓷的动态力学性能进行了研究,得到了材料在较高应变率范围内的动态应力应变曲线。结果表明,Al2O3陶瓷为弹脆性材料,其动态应力应变呈非线性关系,在较高的应变率范围内,陶瓷材料的动态应力应变关系是应变率相关的;材料的初始弹性模量、破坏应力、破坏应变值随应变率的增大而增大。基于损伤力学的基本理论,给出了Al2O3陶瓷的一维损伤型线性弹脆性本构模型。根据SHPB实验结果确定模型中的参数,得到了Al2O3陶瓷应变率相关的损伤型动态本构方程。