基于扩展有限元的地质聚合物混凝土断裂过程研究

扩展有限元法是基于常规有限元框架分析裂纹等不连续力学问题的一种有效数值方法,在常规的有限元位移表达式中,增加了能够反映位移不连续性的跳跃函数和渐进缝尖位移场函数来对不连续结构附近的节点自由度进行局部加强。本文介绍了扩展有限元法及粘聚力模型的基本原理,给出了基于扩展有限元法的地质聚合物混凝土断裂过程分析方法。分别采用四种不同的软化曲线对I型缺口地质聚合物混凝土梁从裂纹萌生、扩展直至断裂破坏的全过程进行了模拟,并基于双K断裂准则分析了其断裂韧性。结果表明,Petersson模型与试验结果吻合较好,最后基于模拟结果进一步揭示了断裂过程区的演化过程。     

混凝土断裂过程区的虚拟裂纹粘聚力奇异性

混凝土断裂过程区视为具有粘聚阻力作用的虚拟裂纹，其非线性断裂和尺寸效应特性是与该虚拟裂纹粘聚力分布规律密切相关的。通过得到的粘聚应力分布函数解析结果，对该粘聚力分布特征的分析得知，在基于断裂过程区之外用线弹性场的力学模型上，该粘聚力随距离虚拟裂纹尖点的靠近，仍具有平方根奇异性。从而本文提出一个能够反映裂纹发展状态的粘聚应力奇异性强度参数，它是无粘聚力的线弹性裂纹应力强度因子和表征裂纹张开位移分布多项式参数的函数；因此，该参数可以作为混凝土非线性断裂的一个参量。文中就已有断裂试验测试结果进行了算例分析和相应的讨论。     

整体复合材料结构分层疲劳全寿命预测方法研究

基于粘聚区模型的观点,认为外载荷作用下整体复合材料结构各元件变形均累积于连接界面,则界面分层扩展可用位移间断δ的演化来表征.以此为基础,建立常幅载荷下分层界面损伤-寿命与应变能释放率-寿命之间的联系,将准静态载荷下的位移间断分为三种情形.提出四个假设,分层疲劳全寿命由基体裂纹形成寿命NM、分层开始寿命ND和分层扩展到一定尺寸寿命Nc三部分组成.给出了变幅载荷下界面损伤累积的计算方法和分层疲劳全寿命预测流程.最后,通过两个算例预测常幅和变幅载荷下复合材料分层疲劳全寿命,计算结果与试验结果一致,表明了本文方法的合理性.     

复合材料粘聚区模型的强度参数预测

提出了一种基于周期性代表性单元（RVE）的细观模型,用于预测粘聚区模型的强度参数,以提高基于粘聚区模型的有限元法模拟复合材料分层的精度。模型从复合材料的细观结构出发,采用最大主应力准则判断粘聚层的初始裂纹的萌生,从而建立了粘聚强度与基体强度的关系;并以宏观正交各向异性为假设条件,确定了RVE的周期性位移边界条件。用该模型预测了AS4/PEEK和T700/QY8911层合板不同铺层间的粘聚强度。采用所预测的粘聚强度值对混合模式弯曲（MMB）和六点弯曲试验进行了仿真,仿真结果与实验值具有较好的一致性。     

混凝土断裂过程及尺寸效应分析

为研究混凝土裂纹断裂过程和最大承载力计算方法,通过实验机对四种不同尺寸混凝土紧凑拉伸断裂试件进行了加载过程实验,并对其中一个试件进行应变片跟踪测试.由实验结果分析得到了一系列关系曲线,如试件的载荷-加载点位移关系曲线,断裂损伤区变形随载荷变化曲线;并且计算了不同尺寸断裂试件的应力强度因子.结合计算粘聚裂纹应力强度因子的公式与断裂准则,完成了对承载力理论值的计算,并将其与实验峰值平均值进行对比,其结果是两者相比误差较小,表明此种计算裂纹结构最大承载力方法是可行的.     

拉-拉循环荷载作用下的界面脱粘研究

应用弹性力学和断裂力学基本理论，基于剪滞模型，研究了纤维增强复合材料中纤维与基体界面在拉-拉循环荷载作用下的疲劳脱粘特性。建立了描述疲劳裂纹扩展的等效Paris公式，得到了界面疲劳脱粘扩展速率、脱粘应力以及脱粘界面的摩擦系数与循环加载次数的关系式。通过数值模拟计算，进一步分析了界面疲劳脱粘的力学机理。本文分析，考虑了疲劳加载引起的脱粘界面的损伤及损伤分布的不均匀性。同时还考虑了材料泊松比的影响。     

复合材料补片加固钢板的粘接应力与失效模拟

在ANSYS有限元软件中建立三维有限元模型,对复合材料补片单面加固钢板进行数值模拟,使用内聚力单元模拟胶层脱粘和扩展过程,有限元模型计算结果与试验结果吻合较好,弹性极限载荷和失效载荷的相对误差分别为9.6%和4.2%。计算得到了模型在拉伸载荷作用下的载荷-位移曲线、胶层剪应力和剥离应力分布情况以及补片x轴向应力分布情况。结果表明,胶层端部最先达到极限强度后出现开裂,脱粘从补片两端开始逐渐向中心扩展,且扩展过程是非对称的;当补片发生部分脱粘后,补片应力集中在未脱粘处,承载长度逐渐减小、承载能力逐渐降低。     

界面脱粘对陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线的影响

采用细观力学方法对脆性纤维增强的陶瓷基复合材料拉-拉疲劳载荷下应力-应变迟滞回线进行了研究,将拉梅公式与库仑摩擦法则相结合分析了界面脱粘区以及粘结区复合材料细观应力场.根据卸载与重新加载时纤维相对基体滑移机制,分析了加卸载纤维轴向应力分布,结合断裂力学界面脱粘准则确定了初始加载界面脱粘长度ls、卸载界面反向滑移长度y以及重新加载界面滑移长度z',讨论了界面脱粘能和界面摩擦系数对初始界面脱粘、卸载界面反向滑移、重新加载界面滑移以及加卸载迟滞回线的影响.并与Pryce-Smith模型和试验数据进行对比表明:该文模型与试验曲线吻合的较好.     

2D-C/SiC拉伸损伤的声发射信号聚类分析

摘要：对2D-C/SiC复合材料进行常温拉伸试验,利用声发射（AE）仪在线监测其损伤过程。应用K-均值聚类算法对AE信号进行模式识别,结合扫描电镜观察,发现2D-C/SiC复合材料拉伸过程的损伤模式包括基体开裂、界面层脱粘、层间剥离、纤维断裂以及纤维束断裂等,并得到了各种损伤模式AE信号参数的中心值。通过对不同损伤模式AE累积事件数和累积能量随时间变化的统计分析,描述了2D-C/SiC复合材料拉伸损伤演化过程。     

纤维复合材料界面横向拉伸分析

以单纤维十字型横向拉伸试验为研究对象,对纤维/基体界面采用弹性-软化双线性内聚力模型,建立了纤维复合材料在横向拉伸作用下界面法向失效过程的解析模型。得到了沿纤维/基体圆周界面的法向应力分布,纤维/基体界面的状态与界面承载力和单纤维复合材料承载力的关系,以及内聚力参数和试件几何尺寸对它们的影响。结果表明:纤维/基体圆周界面在脱粘前经历全部弹性及弹性+软化两种状态;当界面为弹性状态时,界面法向应力随界面强度线性增加;当界面为弹性+软化状态时,界面软化范围随界面裂纹萌生位移的增加而增大;界面初始脱粘位置与拉伸荷载方向重合;界面初始脱粘时的界面承载力随界面强度及界面裂纹萌生位移的增加而增加,随界面裂纹生成位移的增加而降低;单纤维复合材料的脱粘荷载受基体截面尺寸的影响,当纤维体积含量相同时,沿荷载方向截面尺寸的增大对提高脱粘荷载更显著。     

界面裂纹萌生与扩展的分子动力学模拟

运用分子动力学模拟方法研究了裂纹在界面端处萌生与沿界面扩展的临界条件. 模拟考虑了一双相材料的3种模型，即构成90°/90°和 90°/180°夹角的两个界面端和一个界面裂纹. 模拟采用了包含原子区域与连续区域的并发型多尺度模型，即在界面端尖端和裂纹尖端附近 采用分子动力学(MD)方法，MD区域之外则按照线弹性有限元方法分析. 结果表明，在断裂启动时刻，3个模型沿界面的最大应力均达到界面理想强度；而且，其界 面能恰好足以克服界面材料的本征内聚能. 因此，界面端裂纹萌生与沿界面扩展的断裂条件可以通过界面理想强度和内聚能联系起来. 并基于模拟计算结果提出了界面断裂启动的统一准则.     

考虑粘结面厚度的局部粘结单元法

传统无厚度粘结单元法CFEM (Cohesive finite element method)在模拟脆性材料断裂方面具有很强的优势,但也存在很大问题.一是单元尺寸增大,收敛性变差;二是单元尺寸变小,模型刚度发生折减.为了克服这两个问题,发展了考虑厚度的局部粘结单元法,即在裂纹可能扩展区插入具有一定厚度的粘结面单元.粘结面单元采用拓展虚内键本构(Augmented virtual internal bond)描述.由于考虑了厚度,粘结面交叉处会形成多边形空缺.为了弥补这一空缺,将其看作多边形键元胞,采用离散虚内键模型(Discretized virtual internal bond)对其建模,保证了模型的几何完整性.模拟结果表明,本文方法有效,克服了传统CFEM方法的刚度折减问题,提高了计算稳定性和收敛性.     

混凝土双K断裂参数计算的半解析有限元法

混凝土裂缝扩展的双$K$断裂准则，用于描述混凝土结构裂缝的起裂、稳定扩 展和失稳断裂. 其相应的双$K$断裂参数(起裂断裂韧度$K_{\rm IC}^{\rm ini} $和失 稳断裂韧度$K_{\rm IC}^{\rm un}$)一般通过简便的试验和基于虚拟裂缝扩展粘 聚力的解析方法确定. 利用平面扇形域哈 密顿体系的方程，通过分离变量法及共轭辛本征函数向量展开法，以解析的方法推导出基于混 凝土虚拟裂缝扩展线性粘聚力模型的平面裂缝解析元列式. 将该解析元与有限元相结合，构成 半解析的有限元法，可求解任意结构几何形状的混凝土平面裂缝双$K$断裂参数的计算问题. 数值计算结果表明半解析有限元法对该类问题的求解是十分有效的.     

应用内聚力模型研究人牙本质裂纹扩展的升阻能力

论文采用断裂力学中的内聚力模型,结合有限元法研究裂纹沿牙本质小管和垂直于牙本质小管扩展的断裂韧度.数值模拟结果表明牙本质的断裂韧度随着裂纹扩展而增大,表现出上升的阻力曲线(R-curve)特性,但裂纹沿牙本质小管扩展的断裂韧度要大于裂纹垂直于牙本质小管扩展的断裂韧度,表现出各向异性的裂纹扩展阻力曲线性质.同时论文的研究...     

A thermo-mechanical cohesive zone formulation for ductile fracture

The paper addresses the possibility to project both mechanical and thermal phenomena pertinent to the fracture process zone into a cohesive zone. A wider interpretation of the notion cohesive zone is thereby suggested to comprise not only stress degradation due to micro-cracking but also heat generation and energy transport. According to our experience, this widening of the cohesive zone concept allows for a more efficient finite element simulation of ductile fracture. The key feature of the formulation concerns the thermo-mechanical cohesive zone model, evolving within the thermo-hyperelastoplastic continuum, allowing for the concurrent modelling of both heat generation, due to the fracture process, and heat transfer across the fracture process zone. This is accomplished via thermodynamic arguments to obtain the coupled governing equation of motion, energy equation, and constitutive equations. The deformation map is thereby defined in terms of independent continuous and discontinuous portions of the displacement field. In addition, as an extension of the displacement kinematics, to represent the temperature field associated with the discontinuous heat flux across the fracture interface, a matching discontinuous temperature field involving the interface (or band) temperature is proposed. In the first numerical example, concerning dynamic quasi-brittle crack propagation in a thermo-hyperelastoplastic material, we capture the initial increase in temperature close to the crack surface due to the energy dissipating fracture process. In the second example, a novel application of ductile fracture simulation to the process of high velocity (adiabatic) cutting is considered, where some general trends are observed when varying the cutting velocity.     

Molecular-dynamics simulation-based cohesive zone representation of intergranular fracture processes in aluminum

A traction-displacement relationship that may be embedded into a cohesive zone model for microscale problems of intergranular fracture is extracted from atomistic molecular-dynamics (MD) simulations. An MD model for crack propagation under steady-state conditions is developed to analyze intergranular fracture along a flat Σ99 [1 1 0] symmetric tilt grain boundary in aluminum. Under hydrostatic tensile load, the simulation reveals asymmetric crack propagation in the two opposite directions along the grain boundary. In one direction, the crack propagates in a brittle manner by cleavage with very little or no dislocation emission, and in the other direction, the propagation is ductile through the mechanism of deformation twinning. This behavior is consistent with the Rice criterion for cleavage vs. dislocation blunting transition at the crack tip. The preference for twinning to dislocation slip is in agreement with the predictions of the Tadmor and Hai criterion. A comparison with finite element calculations shows that while the stress field around the brittle crack tip follows the expected elastic solution for the given boundary conditions of the model, the stress field around the twinning crack tip has a strong plastic contribution. Through the definition of a Cohesive-Zone-Volume-Element—an atomistic analog to a continuum cohesive zone model element—the results from the MD simulation are recast to obtain an average continuum traction-displacement relationship to represent cohesive zone interaction along a characteristic length of the grain boundary interface for the cases of ductile and brittle decohesion.     

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.     

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.     

In-plane fracture of laminated fiber reinforced composites with varying fracture resistance: Experimental observations and numerical crack propagation simulations

A series of experimental results on the in-plane fracture of a fiber reinforced laminated composite panel is analyzed using the variational multiscale cohesive method (VMCM). The VMCM results demonstrate the influence of specimen geometry and load distribution on the propagation of large scale bridging cracks in the fiber reinforced panel. Experimentally observed variation in fracture resistance is substantiated numerically by comparing the experimental and VMCM load–displacement responses of geometrically scaled single edge-notch three point bend (SETB) specimens. The results elucidate the size dependence of the traction-separation relationship for this class of materials even in moderately large specimens, contrary to the conventional understanding of it being a material property. The existence of a “free bridging zone” (different from the conventional “full bridging zone”) is recognized, and its influence on the evolving fracture resistance is discussed. The numerical simulations and ensuing bridging zone evolution analysis demonstrates the versatility of VMCM in objectively simulating progressive crack propagation, compared against conventional numerical schemes like traditional cohesive zone modeling, which require a priori knowledge of the crack path.