动载作用下复合型裂纹扩展的近场动力学模拟

构建改进的非局部近场动力学模型和粒子系统动力加载算法,开展复合型裂纹动力扩展过程模拟。在常规近场动力学微极模型中引入能反映非局部长程力尺寸效应的核函数修正项,以提高计算精度和收敛稳定性。通过模拟动载作用下含复合型裂纹混凝土三点弯梁的裂纹扩展与破坏过程并与试验结果对比,验证了本文模型和算法的可靠性。在此基础上,通过分组模拟分析了动载作用下,初始裂纹的位置、长度和方向对含复合型裂纹三点弯梁破坏模式、起裂时间与承载能力的影响规律。     

基于近场动力学理论的准脆性材料的本构力函数的构建

近场动力学理论(PD)是基于非局部思想的连续介质力学新理论,用于研究材料破坏问题。根据准脆性材料破坏的线性和非线性的力学行为,在初始微观弹脆性材料(PMB)的本构力函数中引入了键的损伤模型,将键的断裂过程分成了线性的弹性变形阶段和非线性的损伤变形阶段,以此构建了准脆性材料的本构力函数的基本形式。以典型的准脆性材料为例构建了其本构力函数,通过在压缩载荷下对含预制不同角度单裂纹缺陷的类岩材料的裂纹扩展进行PD数值模拟仿真,裂纹起裂位置和扩展方向与试样试验结果在一定程度上保持了一致,证明了该基于近场动力学理论的典型准脆性材料的本构力函数可用于该类材料的破坏分析。     

混凝土复合型裂纹扩展的非局部近场动力学建模分析

基于非局部近场动力学理论,构建了修正的能反映混凝土宏观拉压异性和断裂特征的近场动力学本构模型,开发了相应的离散、加载和时间积分算法,实现典型混凝土构件中复合型裂纹扩展过程模拟。在物质点对尺度上定义局部损伤并考虑物质点对的相对转动,通过求解时空微-积分方程实现裂纹的自然萌生与扩展,避免裂尖不连续带来的求解奇异性、网格依赖性和网格重构以及常规近场动力学本构模型的泊松比限制。通过含单边和双边初始裂纹四点剪切混凝土梁裂纹扩展破坏全过程模拟,得到破坏形态、破坏荷载以及完整的荷载-裂纹开口滑移曲线,并与试验和其他数值模拟结果对比,验证了模型的精确性和算法的稳定性。     

基于常规态型近场动力学的热力耦合变形破坏分析

基于常规态型近场动力学(Peridynamics, PD)理论,考虑物质点之间的非局部热传导,采用拉格朗日坐标系下的欧拉-拉格朗日方程,推导出常规态型近场动力学热传导方程;结合热力学第一定律和自由能函数建立了常规态型近场动力学热力耦合方程。模拟了含单孔单裂纹和多孔多裂纹板的热传导问题以及典型混凝土构件的热致变形和热力耦合破坏问题,并根据模拟出的温度分布及裂纹扩展情况,验证了本文模型和方法的有效性。基于提出的模型进一步分析了含初始裂缝混凝土三点弯梁的破坏过程及温度梯度和初始裂缝位置对其的影响。将提出的PD热力耦合模型运用于混凝土材料,使PD理论与工程应用相结合。     

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。     

水力劈裂问题的态型近场动力学建模

将态型近场动力学理论引入水力劈裂问题的模拟。构建了能反映岩土类材料准脆性断裂特征的态型近场动力学本构模型,并在物质点间相互作用力模型中加入等效水压力项,以实现在新生裂纹面上跟踪施加水压力。同时,考虑裂纹面间的接触,引入物质点间的短程排斥力作用,并设计了相应的接触算法。通过自编程序将模型和算法应用于含初始裂纹、不含初始裂纹以及含坝基软弱结构面的混凝土重力坝在高水头作用下的水力劈裂过程模拟,并与扩展有限元等模拟结果对比,验证了本文模型和算法的可行性和准确性。     

含初始裂纹巴西圆盘劈裂问题的非局部近 场动力学建模

巴西圆盘劈裂是弹性力学及岩石力学与工程中的经典问题。在非局部键型近场动力 学理论的基础上,引入物质点对的转动自由度构建双参数微观弹脆性近场动力学本构力模型 以突破常规模型的应用范围限制,并考虑岩石混凝土类材料的宏观拉压异性和断裂特征。引 入动态松弛、粒子系统力边界条件和系统平衡弛豫等算法,实现了含不同倾角中心裂纹巴西 圆盘受压劈裂破坏全过程的近场动力学数值模拟,裂纹扩展路径及破坏形式均与试验结果高 度吻合,为裂纹扩展和断裂破坏问题的数值模拟提供了新的选择。     

模拟裂纹扩展的一种有限元局部动态子划分方法

提出了一种有限元子划分结合子结构的方法来模拟裂纹扩展问题。提出的方法中,将单元分为三类:被裂纹贯穿的单元,包含裂尖的单元和常规单元。对前两类单元进行子划分,每个单元的归类随裂纹的扩展而动态变化。覆盖一条裂纹的前两类单元子划分后构成一个子结构,子结构也是动态的,跟随裂纹的扩展而逐步扩大。本文的方法可以使裂纹沿任意路径扩展而不受初始网格的限制,裂纹扩展后无需对结构整体的网格重划分,结构整体分析的总自由度也不变。用该方法计算无限大平面中心裂纹的应力强度因子,模拟三点弯梁跨中裂纹的扩展,验证了计算精度,并进一步用该方法模拟了非均质材料中裂纹的扩展,考核了对复杂裂纹扩展问题的适用性。     

沥青混合料三点弯曲断裂的扩展有限元模拟

利用随机骨料生成和投放算法建立沥青混合料两相异质模型,借助ABAQUS软件开展了分别在跨中、偏中20mm和40mm不同位置包含预切口的沥青混合料三点弯曲试件断裂行为的扩展有限元模拟,分析了预切口位置对裂纹扩展路径、载荷位移曲线等的影响规律,并与实验结果进行了比较。结果表明,预切口偏离跨中越远,裂纹扩展方向偏离预切口延长线的角度越大,试件的峰值载荷越大,对试件承载能力的削弱越弱。实验和数值模拟结果在定性上的一致性表明,利用扩展有限元方法模拟沥青混合料断裂行为是可行的。     

钢轨表面三维疲劳裂纹扩展数值分析

在车轮循环滚动接触载荷作用下，钢轨接触表面裂纹问题频发，严重威胁高速列车运行安全，开展钢轨表面三维滚动接触疲劳裂纹扩展分析意义重大.首先，考虑不同初始裂纹角度，建立钢轨轨头含初始裂纹的三维有限元模型，对钢轨表面施加循环滚动接触载荷，进行轮轨滚动接触计算；然后，基于相互作用积分法计算裂纹前缘的应力强度因子；最后，采用最大周向应力准则和Paris公式计算当前状态下裂纹扩展方向和扩展速率，进而更新下一时刻的裂纹形状和尺寸.通过对上述过程重复实现，从而预测钢轨表面三维裂纹的扩展路径.加载过程中裂纹前缘应力强度因子计算结果表明，随着初始裂纹角度增加，K_Ⅰ的峰值逐渐减小，K_Ⅱ的峰值逐渐增大，裂纹前缘各位置的等效应力强度因子逐渐减小；裂纹前缘节点的位置越靠近钢轨表面，等效应力强度因子越大.疲劳裂纹扩展计算结果表明，随着循环次数的增加，不同初始角度下的裂纹都发生了偏折，逐渐朝着钢轨深度方向扩展，且裂纹的初始角度越大，发生扩展时需要的循环次数越多.对比三种初始裂纹角度下裂纹长度随循环次数的演化曲线可以发现，初始裂纹角度越小，裂纹扩展速率越大.所开发的方法也适用...     

钢筋混凝土结构破坏过程的近场动力学模拟

采用近场动力学(Peridynamics,PD)方法对钢筋混凝土结构破坏过程进行模拟,在"键"型近场动力学模型的基础上,考虑物质点对间的转动以突破泊松比的限制,采用能够描述混凝土材料的拉压异性和断裂特征的损伤模型,引入动态松弛、分级加载、平衡收敛准则和冲击接触等算法,建立了能准确描述钢筋混凝土结构破坏的近场动力学模型。模拟了钢筋混凝土梁在不同荷载作用下破坏的全过程,裂纹扩展路径以及最终破坏形式均与试验结果吻合,为解决工程结构破坏问题提供了一种有效的方法。     

基于内聚区模型的连续油管韧性断裂研究

依据连续油管用CT80钢的三点弯曲试样的断裂实验,通过基于改进Levenberg-Marquardt优化算法的反演分析确定了CT80钢的内聚区模型参数,为连续油管的韧性断裂研究提供了有效的内聚区模型。将所确定的最优内聚区模型通过UMAT嵌入ABAQUS软件,建立了井筒内含环向穿透裂纹连续油管的有限元模型,模拟了有内压和无内压条件下裂纹韧性的扩展规律。通过研究含裂纹连续油管的加载面轴向力随加载位移的变化,确定了连续油管的临界穿透裂纹尺寸,为连续油管的"先漏后断"评定提供依据。结果表明:内压使裂纹更容易扩展,且裂纹的初始尺寸越小,内压的作用越明显;内压对临界穿透裂纹尺寸会产生显著影响,承受30MPa内压的连续油管,在轴向极限拉力作用下的临界穿透裂纹尺寸仅为无内压情况下的52.7%。     

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.      

金属试件变形断裂过程的计算模拟分析——组合功密度模型的应用

本文作者已建立了一个既适用于裂纹体亦适用于无裂纹体的统一损伤断裂模型——组合功密度模型。在本文中,作者应用该模型并结合大应变弹塑性有限元方法对40Cr制的圆棒光滑拉伸试件、圆棒切口拉伸试件和三点弯曲裂纹试件的变形和断裂过程进行了计算模拟。模拟结果很好地再现了两种圆棒拉伸试件的实验过程;而对于三点弯曲试件,模拟得到的载荷——加载位移关系曲线、裂纹扩展量——加载位移关系曲线、J_R阻力曲线和断裂韧性J_(IC)值等均与实测结果相当吻合。证实了该模型既能用于模拟预测无裂纹体中的裂纹萌生和扩展,也能模拟预测裂纹体中的裂纹起裂和稳定扩展过程。     

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.     

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。     

石墨烯裂纹扩展行为研究

基于分子动力学方法对含预制裂纹石墨烯进行扶手椅向拉伸断裂模拟。使用连续介质理论结合分子动力学计算石墨烯能量释放率,确定石墨烯能量释放率GIC为10.25 J/m2;应力强度因子KIC为 3.33MPam^1/2。进一步对影响石墨烯裂纹扩展速率的因素-初始裂纹长度与加载速率进行讨论。结果表明：裂纹初始长度与加载率会在一定程度上影响石墨烯中裂纹扩展速率。裂纹扩展速率会随着初始裂纹长度的增加而降低;但随着初始裂纹长度的增加,裂纹扩展速率对其敏感度降低。裂纹扩展速率会随着加载率的升高而增大。 初始裂纹长度与加载率对裂纹扩展速率的影响有一定的关联性,加载率的升高会降低裂纹扩展速率对初始裂纹长度变化的敏感度。在此基础上确定了石墨烯中裂纹扩展极限速率为8350 m/s。关联性,加载率的升高会降低裂纹扩展速率对初始裂纹长度变化的敏感度。在此基础上确定了石墨烯中裂纹扩展极限速率为8350 m/s。     

基于DIC的爆炸加载下脆性材料裂纹扩展规律的试验研究

通过数字图像相关法（DIC），应用PMMA对爆炸加载条件下脆性材料的裂纹扩展规律进行了试验研究。基于对称性试验模型，实现了裂纹尖端位置和应变场信息的同步记录。以此为基础，通过对比分析获知，主应变场应变值最大点不能作为裂纹尖端的判断依据。并以动态裂纹扩展速度为参量，应用断裂动力学和最小二乘牛顿迭代法，计算出了考虑惯性效应的Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹的应力强度因子:K_Ⅰ和K_Ⅱ值会随着裂纹扩展方向改变而发生突变；K_Ⅰ最大值为2.63 MPa·m1/2，最小值为0.89 MPa·m1/2；其整体变化趋势表明，爆炸加载条件下脆性材料裂纹扩展随能量积聚和释放呈循环阶梯式递减发展。     

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.      

三维疲劳多裂纹扩展数值模拟的计算方法及程序设计

研究了含多条初始裂纹的紧固孔件的裂纹扩展模拟及裂纹扩展寿命。紧固孔形式为直通孔和沉头(有锪窝)孔,裂纹形式为孔边角裂纹,将裂纹前缘形状简化为二次曲线形式。采用更新网格法追踪裂纹扩展,并人为干预裂纹前缘形状,解决了裂纹前缘端点跨越模型角点时的网格畸变问题;在裂纹扩展法则中使用了AFGROW裂纹闭合模型,并引入多裂纹协调扩展算法,避免了逐一应力循环计算,缩短了计算时间;试件失效判据使用净截面屈服和裂纹前缘塑性区连通准则,试件满足任一判据即判定为失效;最后在ANSYS软件的基础上进行二次开发,设计了适应多种模型的全寿命自动分析程序,并使用VB语言编写了用户界面,分别对单孔和一排五孔两种平板试件从锪窝孔边起裂的角裂纹扩展进行了数值模拟,并与试验结果进行了对比。结果表明:使用AFGROW裂纹闭合模型对寿命的预测精度明显高于Paris模型,其寿命预测误差在5%以内;对位于模型表面的裂纹尺寸的模拟与试验结果吻合较好,并很好地模拟了五孔模型在发生裂纹连通之后加速扩展的情况。