塑性力学教学中的三个新概念

<正> 文中就作者提出的双剪应力屈服准则、双剪应力状态参数和双纯剪切应力状态等三个新问题,从教学方面进行了探讨.1.前言70年代以前的塑性力学和材料力学中只包含Tresca 屈服准则和 Mises 屈服准则.从八十年代初的王仁教授等的《塑性力学基础》开始,以后,熊祝     

材料构型力学及其在复杂缺陷系统中的应用

基于材料构型力学描述复杂缺陷力学系统中的破坏行为, 可以为预测材料临界失效载荷和评估结构完整性提供新的思路. 首先, 通过对拉格朗日能量密度函数的梯度、散度、旋度操作分别获取3 类材料构型应力张量的定义式、平衡方程、物理意义以及其对应的守恒积分表达式. 其次, 基于材料构型力学概念建立描述材料屈服的屈服准则、预测裂纹起裂的断裂准则、以及评估复杂缺陷系统最终失效的破坏准则. 然后, 利用数字散斑图像相关技术, 开发材料构型力学相关参量的无损测量方法. 最后, 将材料构型力学概念应用于纳米损伤力学和铁电多晶材料的断裂力学中, 为此类新型材料的损伤水平评估提供理论支撑.      

考虑损伤效应的正交各向异性板的弹塑性静动力分析

基于弹塑性力学和损伤理论,建立了一个与应力球张量有关的正交各向异性材料的混合硬化屈服准则,该准则无量纲化后与各向同性材料的Mises准则同构,进而建立了混合硬化正交各向异性材料的增量型弹塑性损伤本构方程和损伤演化方程.基于经典Kirchhoff板理论,获得了正交各向异性薄板的增量型运动控制方程,且采用有限差分法和迭代法进行求解.数值算例中,讨论了损伤演化、外载荷参数等因素对正交各向异性薄板弹塑性静动力性质的影响,数值结果表明,考虑结构的损伤和损伤演化时,结构的力学性质将发生显著的变化.     

考虑载荷特性的骨重建力学调控机制

骨组织具有适应变化力学环境的能力.通过分析骨组织适应力学环境的调控机制,吸纳工程强度设计准则思想,提出考虑载荷特性的骨重建力学调控机制,探讨载荷特性对力学激励的影响,对牙槽骨“张力区骨增生和压力区骨吸收”的现象进行分析和数值模拟.结果表明考虑载荷特性的骨重建力学调控机制是合理的,是骨重建力学调控机制理论的补充和完善.     

坐标变换法描述主应力空间中π平面上的应力偏量

主应力空间中 π 平面上应力偏量的描述是弹塑性力学课程的基本知识点,是学习屈服准则和塑性本构关系的理论基础.本文根据常用的坐标变换方法,建立了主应力空间中任意应力分量与 π 平面上应力偏量的对应关系,推导过程简洁且数学思路清晰,是对现有弹塑性力学教材中该知识点是一个有益的补充.     

屈服准则在有限元软件中实现的正确性验证

基于向后欧拉完全隐式积分方法,采用回映算法将Yld2000-2d屈服准则嵌入ABAQUS商业有限元软件.基于严格的力学推导,提出了能够有效验证屈服准则嵌入工作的正确性的方法.针对5754O铝合金板,采用上述方法验证了Yld2000-2d屈服准则在ABAQUS有限元软件中的嵌入工作的正确性.     

岩石力学研究的模糊数学理论

岩石力学作为岩土力学的一部分,近年来在理论和工程应用方面都得到了发展~[1-39]。本文主要论述岩石力学问题研究过程中的模糊数学理论研究方法。文中具体阐述了下列模糊数学理论在岩石力学中的应用:①模糊集理论(隶属函数的应用);②模糊综合评判理论;③模糊概率溅度理论.      

A SIMPLE METHOD TO PROVE THE NECESSARY AND SU–CIENT CONDITIONS OF INTEGRABILITY FOR LINEAR DIFIERENTIAL CONSTRAINTS

线性微分约束，也称Pfafi约束是工程领域中常见的一种微分约束，其可积性是判断该约束是否为完整约束的准则.许多分析力学教材和研究非完整系统的教材都给出了Pfafi约束可积的充要条件但并未证明.本文给出了Pfafi约束可积的充要条件的简捷证明方法，仅采用高等数学中所授场论部分的基本内容，供分析力学课程教学的教师和学习相关课程的学生参考.     

基于统一相场理论的锂电池电极颗粒断裂模拟研究

锂电池充放电过程中, 锂离子的脱出和嵌入会引发电极颗粒的不均匀体积变化和机械应力. 上述锂离子扩散过程诱发的应力与电极颗粒的尺寸大小、截面形状和冲放电速率有关, 可能会导致电极颗粒出现裂缝起裂、扩展甚至断裂等力学失效, 对锂离子电池的容量和循环寿命等性能产生不利影响. 为准确模拟并预测电极颗粒的力学失效过程, 在笔者前期提出的统一相场理论框架内进一步考虑化学扩散、力学变形和裂缝演化等耦合过程, 建立化学–力学耦合相场内聚裂缝模型, 发展相应的多场有限元数值实现算法, 并应用于二维柱状和三维球体锂电池电极颗粒的力学失效分析. 由于同时涵括了基于强度的起裂准则、基于能量的扩展准则以及基于变分原理的裂缝路径判据, 这一模型不仅适用于带初始缺陷电极颗粒的开裂行为模拟, 而且适用于无初始缺陷电极颗粒的损伤破坏全过程分析. 数值计算结果表明, 相场内聚裂缝模型能够模拟锂离子扩散引发的电极颗粒裂缝起裂、扩展、汇聚等复杂演化过程, 可为锂离子电池电极颗粒的力学失效预测和优化设计提供有益的参考.      

线性微分约束可积充要条件的简捷证明

线性微分约束,也称Pfaff约束是工程领域中常见的一种微分约束,其可积性是判断该约束是否为完整约束的准则.许多分析力学教材和研究非完整系统的教材都给出了Pfaff约束可积的充要条件但并未证明.本文给出了Pfaff约束可积的充要条件的简捷证明方法,仅采用高等数学中所授场论部分的基本内容,供分析力学课程教学的教师和学习相关课程的学生参考.     

一个新的普遍形式的局部损伤断裂准则

利用损伤函数概念，建立了一个普遍形式的局部断裂准则。该准则考虑了局掊应力，应变和损伤历史对断裂的影响，根据损伤力学理选取了一个新的连续损伤函数，从而导出一个新的连续损伤断裂准则。新的临界断裂参数ＷＤＣ，具有明显的物理意义，且易通过试验测得，是一个不依赖于应力状态的材料九。文中还从细观力学理论和有关的试验资料出发，选取了相应的损伤函数，再现了前人的细观力学准则和经验准则。     

高强钢广义屈服和破坏理论

结合经典强度理论和现代损伤力学对金属屈服和断裂解释的力学原理,给出了高强钢在应力三轴空间广义屈服轨迹方程的新诠释.根据三向等拉伸应力状态下高强钢屈服和宏观脆断的重合性,提出了高强钢在应力三轴空间的开裂准则.通过对高强钢刻痕杆断裂试验的数值模拟分析,对比验证了该开裂准则的普适性及精度.最后,给出了高强钢广义强度理论的物理解释及抗断设防.建议的广义强度理论是解高强钢裂纹体和无裂体断裂的一个尝试.     

复合型裂纹扩展的应变能准则

现有的复合型裂纹扩展准则主要可分为两大类,一是以裂纹扩展前的应力-应变场为基础,二是基于能量平衡观点的能量释放率理论.例如,最大切向应力准则,最大主切向应力准则,最大切向应变准则和应变能密度准则都属于前者;Griffith-Irwin能量准则则属于后者.所有的这些准则几乎都假设裂纹扩展将沿着以裂纹尖端为中心的射线方向,并且在此方向上的某个基本函数存在着一个极值,当此极值达到临界值时,裂纹开始失稳扩展.这些准则的着眼点都是只考察裂纹尖端附近某一点处的某个力学参量(如应力、应变、应变能密度或能量释放率等)的变化.本文所考察的则是裂纹尖端周围某一特定区域内总应变能的变化.     

非饱和多孔介质中混合元法的化学-热-渗流-力学耦合的本构模拟

在文献[1]中建立的多孔介质中化学-热-渗流-力学(CTHM)本构模型基础上,针对文献[2]建立的非饱和多孔介质中热-渗流-力学耦合分析的混合有限元方法,发展了非饱和多孔介质中混合元的化学-热-渗流-力学(CTHM)耦合本构模拟算法。采用非关联流动多重屈服准则模拟非饱和多孔介质的材料非线性行为。推导了u-pw-pa-T形式的包含了耦合率本构方程积分的向后欧拉映射算法和一致性弹塑性切线模量矩阵(单元刚度矩阵)的混合元一致性算法。本文给出了临界状态线(CSL)和状态边界面(SBS)两个屈服准则的一致性算法。数值结果显示了本文所发展的混合元耦合本构模拟算法在模拟由热、化学、力学荷载共同引起的多孔介质中化学-热-渗流-力学(CTHM)耦合行为的能力和有效性。     

开挖卸荷条件下深部圆形洞室各向同性围岩分区破裂化机理

论文提出了一种静水压力条件下动态开挖卸荷对深埋圆形洞室各向同性围岩分区破裂化影响的力学模型,获得了动态开挖卸荷条件下深埋圆形洞室围岩的弹性应力场,确定了卸荷速率和岩体动态力学参数对深埋洞室各向同性围岩分区破裂化现象的影响.利用动态Hoek-Brown准则,获得了围岩破裂区和非破裂区的数量和宽度.数值计算结果表明卸荷速率和岩体动态力学参数对破裂区与非破裂区的数量和宽度有较大影响.     

砌体复合剪压受力特性与数值分析方法

 从砌体细观结构出发，提出了用于砌体复合剪压受力过程模拟的细观力学 模型. 该模型假定砌体是由砂浆、块体及两者之间的粘结带组成的三相复合材料，以此为基 础对砌体三相组成的非均匀性予以表征. 提出了基于弹性损伤力学的本构关系，以最大拉应 力准则和摩尔库仑准则作为损伤发生的阈值，并借助复合材料破坏过程分析(MFPA)程序进 行受力分析. 结果表明，所采用的数值模型和模拟方法能够较好地模拟砌体复合剪压受力破 坏过程，为砌体开裂过程的机理分析提供了一种新的数值方法.     

耗散系统的虚功变分不等式及其应用

对于保守系统,能量变分原理为推导力学系统控制方程提供了简洁的途径.对于耗散系统,控制方程的建立往往需要引入经验的或理性的假定,增大了建模的难度.针对耗散系统,引入系统局部稳定的概念,并在此基础上,提出一类虚功变分不等式.这一不等式事实上揭示了耗散系统的一类虚功不等原理.该原理的物理含义为:使系统状态稳定的必要条件是,在该状态附近所有可能的虚拟路径上系统释放的势能不大于系统耗散的能量.研究表明:仅需结合虚功不等原理和能量守恒原理,即可导出准静态系统力学状态量的全部控制方程.作为应用,文章重新讨论了塑性力学,结合虚功不等原理与能量守恒原理,导出经典塑性力学的全部控制方程,并证明了经典的最大塑性耗散原理可以作为虚功不等原理的推论导出;同时,以Mohr-Coulomb强度准则为例,讨论了虚功不等原理在强度理论中的应用,说明基于应力的强度准则可以是基于能量的稳定性准则的推论.上述例子说明了虚功不等原理的广泛适用性和在建立耗散系统控制方程中的有效性.     

大地构造分析中的一些力学问题

综述了应用固体力学连续介质理论分析大地构造运动的问题,讨论了它们和通常力学问题的差别。主要的不同在于这里是反演问题:从地表的大地构造表现模拟出内部过程,从当前的资料追索它们的历史。依靠地球科学家所收集到的资料来引导这些反演。在数值模拟中建立适当的本构关系和破坏准则是头等重要的环节。最后提出固体力学中有关的研究课题。      

弹塑性材料中孔洞成核、发展及应力场

采用Bermin的孔洞成核的局部应力准则以及Euler坐标系下大应变有限元方法,分析了平面应变条件下二相粒子与基体在三种不同的界面结合强度下的宏观材料的力学行为.     

基于损伤泊松比的混凝土多轴强度准则

基于两个基本假定并提出损伤泊松比的概念,应用损伤力学理论和最小耗能原理,根据混凝土单元体的耗能率应受到强度准则的约束,建立了混凝土在多轴应力状态下强度准则的一般形式并揭示混凝土的破坏机理,指出损伤泊松比是决定混凝土破坏的关键.根据混凝土破坏包络面的特征和已有试验资料,初步确定了损伤泊松比的表达式.通过与国内外633组多轴应力下混凝土强度试验资料的比较,结果表明该强度准则计算结果与试验结果符合较好.针对二轴应力状态下,新混凝土强度准则可进一步简化,其形式更简单,且偏于安全.