一种考虑界面相物性影响的界面单元法

界面是由复杂的界面相简化而成的,界面破坏实际是界面相材料的破坏。数值计算为了方便,如经典模型和内聚力模型等,都把很薄的界面相作无厚度化处理。导致只能考虑界面的面力,而无法考虑界面相内的应力(平行于界面方向的应力)。使界面失效准则先天性地排除了界面相内部应力的影响,从界面相材料失效机理的角度来看这是不够严谨的。本文将界面相材料等效为一种弹性连续体,由界面本构关系推导得到了一种新的界面单元。该单元具有界面参数易确定、对界面相物性可以进行等效描述等优点。通过商用有限元软件ABAQUS和用户子程序UEL实现了数值分析,并与直接物理模型的数值模拟结果进行对比,证明了本方法的简便及准确性。通过对不同界面相厚度结构的进一步分析,探讨了本文方法的可行范围。     

双拉试样裂纹扩展过程中的应力强度因子计算

论文将使用一种界面单元来解决二维裂纹的静态扩展问题.这种界面单元基于虚拟裂纹闭合法,利用商业有限元软件ABAQUS的用户自定义单元UEL功能,发展为界面断裂单元,计算应变能释放率(GⅠ和GⅡ).在裂纹尖端的两个节点间设置一个特殊刚度的弹簧,并引入哑节点计算裂纹尖端后面的张开位移和裂纹尖端前面的虚拟裂纹扩展量.采用这种单元计算应变能释放率时不需要使用奇异单元或折叠单元,不会出现收敛问题,也不需要复杂的后续处理.因此,采用这种断裂单元分析二维裂纹扩展问题是方便的、高效率的,而且也能得到可靠的精度.     

含界面裂纹Reissner板弯曲问题分析的奇异单元

首先,采用特征函数渐近展开法,推导了Reissner板弯曲界面裂纹尖端附近位移场渐近展开的前两阶显式表达式,并利用所获得的位移场渐近表达式构造了一种可用于Reissner板弯曲界面裂纹分析的奇异单元。然后,将该奇异单元与外部的常规有限单元相结合,开展了含界面裂纹Reissner板弯曲断裂问题的数值分析。奇异单元可以较好地描述裂纹尖端附近的内力场与位移场,其优势是它与常规单元进行连接时不需要使用过渡单元,并且可以直接给出应力强度因子等断裂参数的高精度数值结果。最后,通过两个数值算例验证了本文方法的有效性。     

纤维增强橡胶复合材料界面力学性能有限元分析

基于剪滞理论,引入双线性内聚力模型研究了纤维与基体界面应力传递机理．采用ABAQUS模拟了非理想界面在单纤维拔出过程中的脱粘失效,分析了不同脱粘阶段界面剪应力分布情况,以及界面刚度和纤维长径比对界面应力传递和拔出载荷的影响规律．结果表明,在纤维受载失效过程中,纤维的拔出过程可分为4个阶段,即界面的完全粘结、损伤演化、逐渐脱粘、完全脱粘．界面的刚度和纤维长径比对界面应力传递与最大拔出力均有一定的影响．界面刚度、纤维长径比主要影响纤维的最大拔出载荷以及界面脱粘失效位移．     

连续胶体材料化学-力学耦合有限元理论及其在ABAQUS中UEL程序实现

基于哈密顿原理,得到水凝胶的化学-力学耦合控制方程的等效积分形式和有限元形式。在整体坐标系下推导出用形函数表示的化学-力学耦合应变矩阵和单元刚度矩阵,并且得到在局部坐标系下的离散化形式。结合ABAQUS软件,编制了用户单元子程序UEL,通过数值算例验证了所开发单元的正确性,为在ABAQUS软件中实现各种耦合问题的有限元UEL编程提供了参考依据。     

裂纹分析中的单节点二次边界元

提出一种新的边界单元；单节点二次元，利用这种单元，位移及其沿边界的切向导数在正规单元端点的连续条件自然得到满足，单节点二次元能很好地模拟角点处面力多值条件，特殊裂纹尖端单节点二次单元包括近裂纹尖端位移近似级数展开第二项。由于每个单元只有一个节点，计算程序大大简化。对直裂纹，圆弧裂纹和边裂纹进行了计算。数值计算结果表明，单节点二次边界单元计算精度高，收敛性好。     

基于ABAQUS的小尺度桩柱波浪力计算方法

基于达索公司开发的ABAQUS有限元分析软件,利用ABAQUS提供的用户子程序编制程序,计算分析风电机组在海洋环境中受到的波浪力.在计算中,使用了三维梁单元和壳单元建模,应用线性波模拟海洋环境中的波浪.基于莫里森方程和数值积分的方法,分析桩柱形支撑结构上的波浪载荷,计算支撑结构的位移,应力变化等,得到了较好的结果.     

虚拟裂纹闭合法在结构断裂分析中的应用

基于三维虚拟裂纹技术(3DVCCT),利用ABAQUS用户单元子程序(UEL)编写裂纹界面单元,使3DVCCT集成于ABAQUS软件中,直接计算出裂纹的断裂参数.采用此方法对连杆杆身表面裂纹进行研究,得到了连杆裂纹的应力强度因子的分布规律.     

基于非线性弹簧界面的复合材料分层损伤预测

基于功能等效的原理,用自定义本构的非线性弹簧模拟复合材料层间界面,弹簧的刚度随着界面层的牵引力-位移曲线变化,可以表征界面材料性能的线性和非线性退化过程。对复合材料单一型分层和混合型分层损伤演化过程进行了模拟分析,研究了单元尺寸、界面强度等参数对模拟结果的影响机理。结果表明:非线性弹簧界面单元能够准确地模拟分层损伤的起始和扩展过程,使用非线性弹簧模拟界面可以减小计算模型规模,与内聚力单元相比计算效率提高约10倍;裂纹每扩展一个单元长度所需要的能量与单元尺寸成正比,单元尺寸越大,裂纹扩展所需要的能量越大;界面强度越低,初始裂纹尖端张开过程越平缓,模型的收敛性越好,可以通过降低弹簧单元界面强度来减小模型计算规模。     

热传导问题的非协调数值流形方法

数值流形方法通过引入数学与物理双重网格，将插值域与积分域分别定义在两个不同的覆盖上，其优点是网格划分随意，不受复杂边界形状和材料界面的限制，是较之于有限元方法更一般化的数值模拟方法。在计算精度方面，数值流形方法远远高于有限元法。但它的精度还是不够理想。为此本文在单元总体位移场上附加非协调位移基本项，使单元位移函数趋于完全，构造了非协调流形单元来改善流形单元的计算精度和计算效率，并将其应用于热传导问题，推导了势问题的非协调数值流形方法。     

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.     

面内裂纹扩展问题的虚拟裂纹闭合法和离散内聚力模型

论文介绍了处理面内裂纹扩展问题的两种断裂单元,分别为处理线性问题的VCCT哑节点断裂单元和处理非线性问题的DCZM断裂单元.并与有限元软件ABAQUS的断裂单元相对比,以验证其计算准确性和对网格、步长等不敏感性,以及计算效率高等特点.     

压电复合材料粘接界面断裂有限元模拟

根据数字化FRMM(Fix-Ratio Mix-Mode)断裂试验,得到了压电复合材料试件的断裂韧性和位移及应变场。本文在试验的基础上,通过非线性有限元软件ABAQUS及用户子程序UMAT进行了模拟分析,采用基于损伤力学的粘聚区模型(CZM)对压电复合材料界面的起裂和脱胶扩展进行了分析,并与VCCT方法进行了比较。计算得到的荷载位移曲线更接近于试验结果,但在裂纹扩展路径上的吻合需要对粘聚区法则进一步修正。通过进一步对CZM参数进行分析,表明界面粘结强度和界面刚度对计算结果的影响很大。研究结果表明,粘聚区模型可以很好地表征压电复合材料弱粘接界面脱胶断裂问题。     

内聚力界面单元与复合材料的界面损伤分析

推导了一种基于内聚力模型无厚的界面单元,用来模拟复合材料纤维与基体之间的界面层．研究了纤维周期分布的复合材料受横向荷载时,在界面不同的强韧性条件下其界面损伤演化的规律和对复合材料整体性质的影响     

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.     

Delamination of an elastic film from an elastic–plastic substrate during adhesive contact loading and unloading

Adhesive contact between a rigid sphere and an elastic film on an elastic–perfectly plastic substrate was examined in the context of finite element simulation results. Surface adhesion was modeled by nonlinear springs obeying a force-displacement relationship governed by the Lennard–Jones potential. A bilinear cohesive zone law with prescribed cohesive strength and work of adhesion was used to simulate crack initiation and growth at the film/substrate interface. It is shown that the unloading response consists of five sequential stages: elastic recovery, interface damage (crack) initiation, damage evolution (delamination), film elastic bending, and abrupt surface separation (jump-out), with plastic deformation in the substrate occurring only during damage initiation. Substrate plasticity produces partial closure of the cohesive zone upon full unloading (jump-out), residual tensile stresses at the front of the crack tip, and irreversible downward bending of the elastic film. Finite element simulations illustrate the effects of minimum surface separation (i.e., maximum compressive surface force), work of adhesion and cohesive strength of the film/substrate interface, substrate yield strength, and initial crack size on the evolution of the surface force, residual deflection of the elastic film, film-substrate separation (debonding), crack-tip opening displacement, and contact instabilities (jump-in and jump-out) during a full load–unload cycle. The results of this study provide insight into the interdependence of contact instabilities and interfacial damage (cracking) encountered in layered media during adhesive contact loading and unloading.     

整体加筋壁板裂纹扩展轨迹模拟及控制分析

应用有限元方法并结合裂纹扩展方向判据分析模拟了飞机整体加筋壁板裂纹的扩展轨迹,与实验结果对比证明此方法的有效性;并通过壳单元模型和粘聚区渐进损伤模型详细讨论了影响整体加筋壁板裂纹扩展的筋条参数,研究了壁板筋条对裂纹止裂的控制,并对不同参数下裂纹的应力强度因子和扩展情况作对比分析.文章所述方法和结论对于飞机整体加筋壁板的损伤容限设计具有指导意义.     

分区界面元-有限元-无限元混合模型

利用界面元良好的相容性,引入过渡界面元的概念．实现了界面元与有限元二种数值计算方法的结合,并提出了一种界面元-有限元-无限元混合模型。这种混合模型既可以发挥界面元计算精度高、适用于不连续变形等优点．又能够充分利用有限元的计算效率和无限元方便处理无限域介质的特点,较为和谐地解决了计算精度和计算效率的矛盾。数值算例表明,本文所建立的混合模型的有效性,揭示此类混合模型具有广阔的工程应用前景。