近场动力学微极模型在求解静力学问题中的应用

阐述了近场动力学微极模型的求解方法,可同时考虑物质点的平动和转动效应;在此基础上,给出了近场动力学微极模型的静力求解格式,在求解静力学问题时无需引入阻尼项,提高了"键"型近场动力学的计算效率.基于所建立的近场动力学微极模型的静力求解体系,模拟计算了简支梁的弹性变形和含单、双裂纹板的破坏过程.并与理论解和其他数值方法模拟结果进行了对比分析,验证了本文建立的近场动力学微极模型静力求解方法的有效性和准确性.     

钢筋混凝土界面的近场动力学方法

近场动力学方法已被广泛用于钢筋混凝土的开裂破坏研究,传统近场动力学方法的控制方程与参数是基于同种均质材料的能量方程确定,在处理不同种材料之间的相互作用时,无法合理反映其界面的力学行为.针对这一问题,通过分析钢筋混凝土界面的黏结-滑移机理,提出了近场动力学界面区材料点的相互作用模型,发展了考虑钢筋混凝土界面黏结的键基近场动力学方法.基于键基近场动力学与连续介质力学的能量密度等效方法,提出了界面微弹性参数的确定方法;根据钢筋肋间混凝土的应力分布规律,获得界面材料点域半径与受限楔体半径的等效关系;利用界面黏结-滑移曲线峰值应力对应的滑移变形,给出了界面临界拉伸常数确定方法.通过与2组钢筋混凝土构件的拉拔试验对比,验证了发展的界面近场动力学方法,并开展了不同条件下钢筋混凝土构件的数值试验.结果表明,发展的近场动力方法能够合理反映钢筋直径、锚固长度、混凝土强度以及肋间距对钢筋混凝土界面黏结行为的影响,体现了所提方法的合理性与优越性.     

基于Cosserat近场动力学的纤维混凝土破坏模拟

本文基于Cosserat近场动力学发展了一种纤维混凝土的近场动力学模型,对纤维混凝土的破坏现象进行研究。该模型考察了物质点独立的转动自由度和物质点间的力偶作用,而且有表征微结构尺寸的内禀长度,相比于传统的近场动力学模型,更适合描述纤维混凝土这类胶结颗粒材料的力学行为。本文采用完全离散的方式对纤维进行建模,引入了纤维拔出实验中拔出位移和切应力的关系,并且采用组构张量描述纤维的局部分布。数值算例部分模拟了单纤维拔出实验、带预制裂纹的平板拉伸实验和三点弯曲梁实验。数值结果和已有的数值模型以及实验进行了对比,验证了所提出模型的正确性。此外,本文还调查了微结构对纤维混凝土破坏的影响,数值结果显示Cosserat剪切模量和内禀长度会影响裂纹的局部分布,但是不会改变裂纹的主方向。     

基于显微CT图像的近场动力学建模与复合材料微结构破坏模拟

随着纤维增强复合材料应用领域的不断扩展且用量激增,亟需理清复合材料微观结构损伤对宏观力学性能影响的内在机制。因此,发展针对纤维增强复合材料微结构破坏过程的建模与高效模拟方法就显得十分重要。本文借助显微CT(Micro-computed Tomography)扫描技术,提出了一种基于显微CT图像中像素点离散的近场动力学建模与模拟方法。一方面,近场动力学作为一种由积分方程建模的非局部理论,便于采用基于空间点离散的数值计算方法,相比传统的连续介质力学能够更有效地模拟材料从连续变形到裂纹萌生与扩展(非连续变形)的全过程。另一方面,对显微CT图像使用像素点灰度阈值分割处理技术,能够快速建立含有复合材料原位微结构信息的空间点离散模型。该离散模型可以直接用于微结构破坏过程的近场动力学模拟,从而避免了传统的数值模拟技术需要依据像素点先建立光滑的几何模型、再划分成有限单元网格的复杂前处理过程,并且极大地保留了复合材料的原位组分分布信息。数值模拟结果表明,基于显微CT图像的近场动力学建模方法能够精确捕捉到复合材料微结构信息,并能准确模拟纤维增强复合材料的微结构破坏过程。     

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。     

基于单弹簧联结单元法的钢筋混凝土梁损伤模拟

钢筋混凝土梁的损伤模拟的重难点在于描述两种材料非线性的本构关系以及钢筋混凝土粘结滑移关系非线性的描述,采用单弹簧联结单元法模拟钢筋和混凝土相互作用,结合混凝土四参数损伤模型,模拟钢筋混凝土结构多轴应力状态下从开始加载到结构破坏的全过程。数值算例不仅体现该方法的有效性,也具有重要的工程实践意义。     

近场动力学在断裂力学领域的研究进展

近场动力学采用非局部积分计算节点内力, 利用统一数学框架描述空间连续与非连续, 避免了非连续区局部空间导数引起的应力奇异, 数值上具有无网格属性, 可自然模拟材料结构的断裂问题. 本文概述了近场动力学的弹性本构力模型, 系统介绍了近场动力学临界伸长率、临界能量密度以及材料强度相关的键失效准则. 详细介绍了近场动力学在断裂力学领域的研究进展, 包括断裂参数能量释放率与应力强度因子的求解、J积分、混合型裂纹、弹塑性断裂、黏聚力模型、动态断裂、材料界面断裂以及疲劳裂纹扩展等. 最后讨论了断裂问题近场动力学研究的发展方向.      

近场动力学研究进展

近场动力学(Peridynamics或PD)理论基于非局部作用思想,采用空间积分描述物质内部作用,对于从连续到非连续、微观到宏观的力学行为具有统一的表述,数值上天然具有无网格属性和不连续求解功能,在分析不连续,多尺度等问题时展现出了具有优势的适用性和可靠性.本文介绍了近场动力学的发展背景;概述了其理论基础、数值实现过程和计算体系,并在此基础上探讨了近场动力学理论和数值模型的适定性,以及与传统连续介质模型和分子动力学模型进行耦合的可行性;系统分析了近场动力学方法在各个领域上的应用发展现状和趋势,包括静态、动态破坏问题,基于近场动力学的材料模型,以及新兴的疲劳问题研究和多尺度、多物理场的耦合问题;最后对近场动力学方法目前存在的局限性和将来的研究进行了探讨.     

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。     

近场动力学与有限元的混合建模方法

综述了近场动力学与有限元混合建模方法的研究进展,阐明了各种混合建模方法的基本原理与特点,并重点介绍本课题组在近场动力学与有限元方法混合建模方面的研究工作。现有近场动力学与有限元混合建模方法包括位移协调约束、力耦合、混合函数方法以及子模型方法等,除子模型方法外,都可归结为并行式多尺度分析方法,其基本思想是将计算结构划分为近场动力学子域、有限元子域以及两者的交界区域(或重叠区域、或界面单元、或过渡区域)。子模型方法可归结为显-显分析方法,先采用显式有限元进行整体分析,后采用近场动力学方法对重点区域进行分析。混合建模方法需要着重提高交界区域的计算精度,并且消除虚假力和虚假应力波问题。提出了通过力耦合的近场动力学与有限元混合建模的隐式分析方法,该方法不再设置重叠区,通过杆单元连接近场动力学子域与有限元子域,其中界面上的有限元结点不仅与其所在单元的其他结点发生作用,还通过杆单元与以其为圆心、一定半径的圆域内的其他物质点相互作用。研究表明,本文提出的混合模型和求解方法既能有效解决裂纹扩展等不连续问题,又可提高计算效率,为工程结构破坏问题的计算分析提供一种有效方法。     

基于分离式共结点模型的钢筋混凝土结构爆破拆除数值模拟

通过大型有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,充分考虑钢筋和混凝土在结构倒塌时各自的受力状态和强度差异,运用分离式共节点模型模拟钢筋混凝土结构建筑物的爆破拆除倒塌过程.通过对倒塌过程中钢筋混凝土支撑立柱内侧和外侧的钢筋单元、混凝土单元的承载失效过程分析研究,对数值模拟效果与实际爆破效果对比分析得出:分离式共结点模型...     

近场动力学研究进展与岩石破裂过程模拟

近场动力学（Peridynamics，PD）作为一种新兴的非局部性理论，在非连续处不需要任何处理，能够很好表述模型从连续到非连续的过程。首先，在PD基本理论简介的基础上，系统回顾了PD的国内外研究现状。其次，采用键型PD理论对非均匀性的圆孔岩板单轴拉伸破裂过程进行了二维数值模拟，采用态型PD理论对单轴、常规三轴以及真三轴等不同压缩条件下的岩石破裂过程进行了三维数值模拟，并以加拿大Mine-by隧洞为例对现场岩体破裂过程进行了模拟，结果表明PD在岩石破裂过程模拟上具有较强适用性。最后，指出当前PD在岩石破裂过程模拟中存在的主要问题和未来值得开展的若干研究课题。     

弹体贯穿混凝土数值模拟的改进材料模型

研究混凝土结构在冲击载荷下的力学特性对武器以及防护结构的设计和评估具有重要意义,而合适的材料模型可以更准确地预测混凝土结构的力学行为和破坏模式。因此,本文中提出了一种改进的混凝土塑性损伤材料模型来描述其在冲击载荷下的力学响应。该改进模型考虑了压力-体积应变关系、应变率效应、洛德角效应和塑性损伤累积对混凝土材料力学特性的影响,并引入了一个与损伤相关的硬化/软化函数来描述压缩状态下的应变硬化和软化行为。随后,通过对3个独立的强度面进行线性插值得到了该改进模型的破坏强度面,并采用部分关联流动法则考虑了混凝土材料的体积膨胀特性。最后,开展了单个单元在不同加载条件下和弹体贯穿钢筋混凝土靶的数值模拟,验证了该改进模型的可行性、准确性以及预测性能提升。     

Adaptive coupling between damage mechanics and peridynamics: A route for objective simulation of material degradation up to complete failure

The objective (mesh-independent) simulation of evolving discontinuities, such as cracks, remains a challenge. Current techniques are highly complex or involve intractable computational costs, making simulations up to complete failure difficult. We propose a framework as a new route toward solving this problem that adaptively couples local-continuum damage mechanics with peridynamics to objectively simulate all the steps that lead to material failure: damage nucleation, crack formation and propagation. Local-continuum damage mechanics successfully describes the degradation related to dispersed microdefects before the formation of a macrocrack. However, when damage localizes, it suffers spurious mesh dependency, making the simulation of macrocracks challenging. On the other hand, the peridynamic theory is promising for the simulation of fractures, as it naturally allows discontinuities in the displacement field. Here, we present a hybrid local-continuum damage/peridynamic model. Local-continuum damage mechanics is used to describe “volume” damage before localization. Once localization is detected at a point, the remaining part of the energy is dissipated through an adaptive peridynamic model capable of the transition to a “surface” degradation, typically a crack. We believe that this framework, which actually mimics the real physical process of crack formation, is the first bridge between continuum damage theories and peridynamics. Two-dimensional numerical examples are used to illustrate that an objective simulation of material failure can be achieved by this method.     

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.      

受拉钢筋混凝土构件破坏过程的数值模拟

采用三维材料破坏过程分析MFPA3D系统,对钢筋混凝土构件轴心受拉条件下的受力、变形与内部裂纹萌生、扩展及最终破坏全过程进行了数值试验研究。数值模型中引入统计分布函数反映了混凝土的非均匀性影响,并采用具有残余强度的弹性损伤本构模型及其破坏单元材料性质退化方法,利用位移加载方式对钢筋混凝土构件实施拉伸加载。通过对钢筋、素混凝土方形体以及钢筋混凝土方形柱体构件在拉伸作用下破坏过程的数值试验,分析了钢筋与混凝土两种材料之间的相互作用、约束机理和破坏机理。数值试验成果对于深入了解钢筋和混凝土的联合受力规律和钢筋在开裂前后对整体钢筋混凝土结构的作用机制有参考价值。     

A numerical model for reinforced concrete structures

This paper describes a two-dimensional approach to model fracture of reinforced concrete structures under (increasing) static loading conditions. The first part is dedicated to the concrete material. The concrete is described in compression by a non-local isotropic damage constitutive law. In tension, a fictitious crack/crack band model is proposed. The influence of biaxial stress states is incorporated in the constitutive relations. In the second part a bond model is described. It accounts for different failure mechanisms, a pullout failure and a splitting failure. This approach is applied to prestressed concrete beams with different failure mechanisms. The numerical results are compared to experimental data and show good agreement.     

钢筋混凝土结构的三维有限元非线性分析

提出了一个简单的混凝土三维本构模型,结合两种钢筋分布模式编制了钢筋混凝土结构非线性分析的三维有限元程序,通过两个经典的算例对比分析,表明本文提出的混凝土本构模型能够有效地模拟结构的破坏荷载和破坏过程。