构元组集模型对结构弹性损伤至断裂过程的描述及与内聚区模型的比较

结构的响应实质上是材料的响应，宏观结构损伤至断裂的发展过程也是材料性质不断演化的结果。构元组集模型从材料的微观物理变形机制出发，基于对泛函势理论和Cauchy-Born准则，抽象出两种构元——弹簧束构元和体积构元。在微观层次上，结构损伤和断裂的实质都是原子间键合力减弱和丧失的结果，而弹簧束构元是同一方向上的原子键的抽象，因此损伤可以通过弹簧束构元的响应曲线来反映。组集两种构元的响应，建立了材料的弹性损伤本构关系，从而能一致描述材料从弹性到损伤、破坏的发展过程。将构元组集模型的本构关系嵌入ABAQUS的用户材料单元子程序UMAT，实现对结构响应的数值模拟。本文模拟了包含中心预制裂纹三点弯曲梁的裂纹扩展过程，并与内聚区模型比较，给出了内聚区模型所假设的应力——位移关系曲线，并从材料损伤演化的角度对材料裂纹扩展过程做出了物理解释。     

半结晶聚合物损伤演化的实验表征与数值模拟

损伤本构模型对研究材料的断裂失效行为有重要意义, 但聚合物材料损伤演化的定量表征实验研究相对匮乏. 通过4种高密度聚乙烯(high density polythylene, HDPE)缺口圆棒试样的单轴拉伸实验获得了各类试样的载荷-位移曲线和真应力-应变曲线, 采用实验和有限元模拟相结合的方法确定了HDPE材料不同应力状态下的本构关系, 并建立了缺口半径与应力三轴度之间的关系;采用两阶段实验法定量描述了4种HDPE试样单轴拉伸过程中的弹性模量变化, 并建立了基于弹性模量衰减的损伤演化方程, 结合中断实验和扫描电子显微镜分析了应力状态对HDPE材料微观结构演化的影响. 结果表明缺口半径越小, 应力三轴度越大, 损伤起始越早、演化越快; 微观表现为: 高应力三轴度促进孔洞的萌生和发展, 但抑制纤维状结构的产生;基于实验和有限元模拟获得的断裂应变、应力三轴度、损伤演化方程等信息提出了一种适用于聚合物的损伤模型参数确定方法, 最后将本文获得的本构关系和损伤模型用于HDPE平板的冲压成形模拟, 模拟结果与实验结果吻合良好.      

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。     

球墨铸铁材料细观损伤破坏机制实验研究

选用具有典型细观结构特征的球墨铸铁材料进行试验，探讨这种金属材料在各种三轴应力状态下的细观损伤破坏，结果表明：在较高三轴应力状态时，石墨颗粒与基体分离形成的一级孔洞扩展很不充分，且断裂孔洞体积分数ff较小；在较低三轴应力状态下，一级孔洞扩展较充分，损伤演化后期有二级孔洞形成，体积分数ff较大，ff的较大差异意味着材料在不同受力情况下，细观层面上表现出损伤聚合机制不同，因此用单参数f来描述和判断球铁材料损伤演化的各个物理状态是不够的。     

构元组集损伤断裂模型及其与内聚区模型的比较

结构的响应实质上是材料的响应,宏观结构损伤至断裂的发展过程也是材料性质不断演化的结果.构元组集模型从材料的微观物理变形机制出发,基于对泛函势理论和Cauchy-Born准则,抽象出两种构元:弹簧束构元和体积构元.在微观层次上,结构损伤和断裂的实质都是原子间键合力减弱和丧失的结果,而弹簧束构元是同一方向上的原子键的抽象,因此损伤可以通过弹簧束构元的响应曲线来反映.组集两种构元的响应,建立了材料的弹性损伤本构关系,从而能一致描述材料从弹性到损伤、破坏的发展过程.将构元组集模型的本构关系嵌入ABAQUS的用户材料单元子程序UMAT,实现对结构响应的数值模拟.论文模拟了包含中心预制裂纹三点弯曲梁的裂纹扩展过程,并与内聚区模型比较,给出了内聚区模型所假设的应力-位移关系曲线,并从材料损伤演化的角度对材料裂纹扩展过程做出了物理解释.     

SiCp/ZL101AI复合材料中的层裂微损伤演化行为

对ＳｉＣｐ／ＺＬ１０１Ａｌ复合材料进行了层裂损伤演化实验，得到了试样的层裂损伤演化图像．通过对这些微损伤演化图像的微观观察和对微损伤的统计定量分析，发现在层裂损伤演化过程中，微损伤的形成和发展不仅与应力水平、作用时间相关，而且还与材料中的微结构分布密切相关．通过层裂损伤演化实验，得到了在这种复合材料中，微裂纹在基体中的扩展速度及其与宏观应力水平的关系     

SiCp/ZL101AI复合材料中的层裂微损伤演化行为

对ＳｉＣｐ／ＺＬ１０１Ａｌ复合材料进行了层裂损伤演化实验，得到了试样的层裂损伤演化图像．通过对这些微损伤演化图像的微观观察和对微损伤的统计定量分析，发现在层裂损伤演化过程中，微损伤的形成和发展不仅与应力水平、作用时间相关，而且还与材料中的微结构分布密切相关．通过层裂损伤演化实验，得到了在这种复合材料中，微裂纹在基体中的扩展速度及其与宏观应力水平的关系     

聊聊动态强度和损伤演化

材料强度在传统上常理解为材料在外载荷下抵抗流动/变形和破断的能力。由流变阶段到貌似突发的破断，其实源于一个隐含的应变率/时间相关的损伤演化过程。动态损伤演化研究的难点在于损伤与流变总是耦合在一起发展的。研究发现，热激活损伤演化模型可成功描述材料宏观损伤的动态演化。在此基础上，从实测的含损伤演化的表观应力应变曲线，可将两者解耦分开，并可确定各自相关的材料参数。这一思路可推广到中医脉诊的客观化研究，通过脉搏波信息定量反演脉搏波系统的正常及病态本构关系，可诊断生命体偏离正常状态的程度(病情)，这可视为一种广义的损伤演化和强度问题。上述思路还可推广到地震预报研究，即“对地球把脉”。与加卸载响应比理论相结合，通过相邻3处的地震波信息来反演地球相关板块含损伤演化的非线性载荷-响应曲线，再区分出损伤演化程度，将有利于改进地震预报，这可视为另一种广义的损伤演化和强度问题。     

铝合金在不同应力状态下微损伤演化的声发射研究

利用声发射技术对不同应力状态下铝合金的微损伤演化规律进行试验研究。首先,对铝合金在正断和切断两种断面取向的试样进行单轴拉伸试验,并同时采集微损伤声发射信号;其次,基于所采集的微损伤声发射信号构建了一个能够表征微损伤能量尺度特征和时间序列特征的随机损伤变量,进而通过对该随机变量的分析来研究铝合金在不同应力状态下的微损伤演化特征;最后,通过计算随机损伤变量在不同外载荷水平下的概率熵给出描述材料微损伤演化过程的一种表征。通过试验并辅以对断面的扫描电镜观测获得的结果是,同一种铝合金材料在两种不同应力状态下获得的微损伤概率熵曲线具有显著差异性,而在相同应力状态下分别针对铝合金材料1060和6063的微损伤概率熵曲线又具有一致性。上述研究结果可为探索铝合金在不同应力状态下的微损伤演化规律提供参考。     

基于一类非局部宏-微观损伤模型的混凝土典型试件力学行为模拟

混凝土是一类典型的准脆性材料, 其受力过程中的非线性分析与裂纹模拟依然是具有挑战性的问题. 经典的断裂力学与损伤力学分别从间断与连续的视角对裂纹拓扑进行了描述, 是早期人们研究固体破坏问题的有力工具. 21世纪以来, 相场理论和近场动力学在预测裂纹的萌生、扩展与非线性分析方面取得了重要的进展. 最近, 结合统一相场理论与近场动力学的基本思想, 发展了一类非局部宏-微观损伤模型. 该模型引入物质点偶的概念来刻画由于变形引起的微细观损伤, 对微细观损伤在作用域中进行加权平均得到定量描述物质不连续程度的拓扑损伤. 通过具有物理机制的能量退化函数, 将拓扑损伤嵌入到连续介质-损伤力学的框架中, 这使得该模型在进行非线性分析的同时可以自然地进行裂纹模拟, 而毋须预设初始裂纹与裂纹扩展路径. 本文考虑细观物理参数的空间变异性, 采用非局部宏-微观损伤模型进行混凝土试件受力全过程的精细化模拟. 通过一维建模标定模型细观参数, 并探讨了细观参数与混凝土材料细观物理-几何特性之间的内在关联, 在此基础上采用二维模型进行精细化分析. 进而, 考察了材料参数空间变异性对混凝土单轴受拉试件和带缺口三点弯曲试件力学行为的重要影响. 本文的研究工作为非局部宏-微观损伤模型细观参数的试验标定与复杂应力状态下混凝土等准脆性材料的非线性力学行为研究提供了有意义的参考.      

延性材料动态损伤演化模型研究

从微损伤系统的统计描述出发，应用Ｍｏｒｉ－Ｔａｎａｋａ理论的物理思想，考虑了微孔洞间的相互作用，建立了延性材料动态损伤的统计演化模型。结果能够描述材料在外载作用下的损伤弱化效应。还分析了材料变形中的两种不同的耗散机制，考虑了含损伤的本构关系。将上述模型用于几种材料的层裂过程数值模拟，并与实验结果作了初步比较。     

The kinetic nature of material deformation and fracture

Some physical mechanisms of deformation and fracture of solids are considered on the basis of state-transition kinetics. The effect of stress state on the energy barriers of state transition is studied for the process of deformation and fracture. Evolution equations are derived with and without consideration of the damage effect on the evolution of deformation and fracture. Some relations between various theories of deformation and fracture are found.     

On kinematic,thermodynamic, and kinetic coupling of a damage theory for polycrystalline material

The paper proposes a new consistent formulation of polycrystalline finite-strain elasto-plasticity coupling kinematics and thermodynamics with damage using an extended multiplicative decomposition of the deformation gradient that accounts for temperature effects. The macroscopic deformation gradient comprises four terms: thermal deformation associated with the thermal expansion, the deviatoric plastic deformation attributed to the history of dislocation glide/movement, the volumetric deformation gradient associated with dissipative volume change of the material, and the elastic or recoverable deformation associated with the lattice rotation/stretch. Such a macroscopic decomposition of the deformation gradient is physically motivated by the mechanisms underlying lattice deformation, plastic flow, and evolution of damage in polycrystalline materials. It is shown that prescribing plasticity and damage evolution equations in their physical intermediate configurations leads to physically justified evolution equations in the current configuration. In the past, these equations have been modified in order to represent experimentally observed behavior with regard to damage evolution, whereas in this paper, these modifications appear naturally through mappings by the multiplicative decomposition of the deformation gradient. The prescribed kinematics captures precisely the damage deformation (of any rank) and does not require introducing a fictitious undamaged configuration or mechanically equivalent of the real damaged configuration as used in the past.     

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.     

内爆炸载荷下圆管变形、损伤和破坏规律的研究

以物理统计和唯象研究相结合的方法,建立了微孔洞型的损伤函数模型和损伤演化方程,以变形热力学,Ｄｒｕｃｋｅｒ公设和内变量理论为基础建立了含损伤热塑性材料的增量型本构关系,用所建立的本构关系及损伤演化方程对内部爆轰作用下的圆管破坏过程完成了系列数值模拟,数值结果与实验结果相比较,在圆管变形过程,破坏时间,破坏速度,破坏应变,破坏应变率等信息方面都是基本一致的。     

考虑晶体滑移面分解正应力的细观损伤模型

材料内部的解理、滑移面剥离等细观损伤是引起宏观失效的根源, 从细观尺度研究损伤的发生和发展有助于深入认识材料的变形和失效过程. 本文基于晶体塑性理论, 从滑移系的受力和变形出发研究材料的细观损伤, 建立了考虑滑移面分解正应力的细观损伤模型, 为晶体材料解理断裂的分析提供了新方法. 首先, 在晶体弹塑性变形构型的基础上引入损伤变形梯度张量的概念, 从变形运动学着手建立了考虑损伤能量耗散的本构方程, 并推导了塑性流动方程与损伤演化方程; 然后, 建立了相应的数值计算方法, 给出了应力与状态变量的更新算法, 推导了Jacobian矩阵的表达式; 接着, 以$[100]$取向的单晶铜材料为例, 通过有限元计算与试验结果的对比, 并采用粒子群优化算法标定了11个材料细观参数; 最后, 将所提细观损伤模型应用于RVE单轴拉伸过程的模拟, 得到了考虑损伤影响的应力应变曲线, 并分析了材料的塑性流动与损伤演化过程. 结果表明, 本文所提模型能够计算材料在受载过程中的损伤累积效应, 合理反映晶体材料的细观损伤机理.      

材料损伤断裂中的分形行为

本文概述了分形几何学在材料损伤断裂研究中的应用,指出断裂表面的粗糙程度及不规则性可用分形维数给予很好的定量描述,而且分形维数与材料的断裂韧性密切相关。损伤演化过程与逾渗现象极为相似,临近断裂和破碎时,某些物理量所表现出来的异常行为往往满足一定的标度关系。这方面的深入研究有助于认识断裂过程的复杂性及损伤断裂的物理机理。     

微孔洞生长对板材拉伸过程中变形局部化的影响

本文在作者提出的含孔洞材料下限本构方程的基础上，采用了初始缺陷带模型对微孔洞生长及分布对板材拉伸过程中变形局部影响进行了，分析着重研究了细观损演化规律对变形局部化模式及临界应变的影响，并成功预测了ＡＩＳＩ４３４０钢板材拉伸试件变形局部化换稳为及失稳方向。