基于分子动力学的结合材料界面破坏准则

结合材料的破坏通常都是从界面或其附近发生的,但界面破坏的机理及其评价准则尚未十分清楚.采用分子动力学模拟方法,可以对结合材料的界面破坏过程进行模拟,从而获得结合材料的界面应力和界面破坏之间的关系.界面破坏可以分为奇异应力场作用下的破坏,和界面应力集中引起的破坏两种.虽然在分子动力学模拟中采用了高度简化的界面模型,但对界面破坏过程的模拟,仍可以帮助人们获得结合材料界面破坏过程的规律性认识.分别模拟远场作用下界面上存在初始裂纹和界面附近存在初始裂纹两种情况下的界面破坏,根据分子动力学模拟结果,提出了一个结合材料界面破坏的准则.     

软材料粘接结构界面破坏研究综述

软材料已经在软机器人、生物医学及柔性电子等各个领域得到广泛的应用. 实际应用中, 软材料多需要粘附于不同类型的基底上, 与之共同组成工程构件进而实现特定的功能, 粘接界面性能对构件的结构完整性与功能可靠性起着关键性作用. 本文对目前软材料粘接结构界面破坏行为方面的研究进行了系统总结. 首先通过与传统粘接结构的对比, 指出了“软界面”与“软基体”两种软材料粘接结构界面破坏行为的独特性及其物理本质. 接着分别总结了“软界面”与“软基体”两种粘接结构界面破坏行为的实验表征方面的研究成果, 对界面及基体黏弹性耗散对界面破坏机理的影响分别进行了分析. 然后从理论角度, 介绍了针对两种软材料粘接结构界面破坏行为的理论分析方法, 并对已建立的相关理论模型进行了总结. 之后以内聚力模型方法为基础, 介绍了软材料粘接结构界面破坏行为数值模拟方面的相关研究进展. 最后基于已有的研究成果, 提出了目前研究所面临的挑战, 并对可能的软材料粘接结构界面破坏的未来研究方向进行了讨论和展望.      

界面强度对玻璃微珠填充聚丙烯力学性能的影响

本文针对玻璃微珠填充聚丙烯这一刚性粒子填充聚合物复合体系进行了实验研究。通过偶联剂改性对比,研究了该聚合物复合材料在不同界面粘结状态下的宏观拉伸、冲击力学性能。此外,根据冲击破坏断面的电镜观测结果,发现复合体系的断裂和增韧机制随界面粘结强度不同而发生改变,界面改性使得材料抗冲击破坏能力得到增强。本文还采用在位拉伸过程中的细观观测方法,观测到材料在一维应力作用下,刚性粒子和基体界面的脱粘、开裂过程,分析了该复合体系细观结构和宏观力学性能之间的关系,发现界面改性对于材料细观结构的界面脱粘和宏观屈服现象的重要影响,为发展新型复合材料提供了实验依据。     

基于黏聚区域模型的石拱圈承载力分析方法研究

石拱桥拱圈石之间的拼接界面往往是拱圈结构的薄弱处,决定着拱桥的安全性和承载力。该连接界面往往因其强度低而沿法向起裂并张开扩展,或沿切向发生相对滑移,此复杂的界面行为特性成为石拱桥承载力分析及安全性评估的难点。针对拱圈石连接缝处的起裂及裂缝扩展后结构非连续变形的复杂力学行为的模拟问题,采用多折线型黏聚区域模型描述拱圈石间界面滑动和拉裂破坏变形,并构造无厚度界面单元,形成考虑非连续变形效应的石拱桥极限承载力分析的方法。采用该方法对一石拱圈的破坏全过程进行模拟分析,实现拱圈石块之间非连续变形的数值模拟,得到拱圈结构的极限承载力及相应的破坏形态,验证了本文方法的可行性。本文方法可以模拟石拱桥结构破坏的全过程,可用于石拱桥的承载能力分析及石拱桥结构脆性破坏的安全性评估。     

纳米悬臂梁Si/Cu界面破坏的弹塑性内聚力模拟

实验测试表明[Thin Solid Films 516: 1925-1930],纳米悬臂梁Si/Cu/SiN/Pt/C在弯曲载荷作用下发生沿Si/Cu界面的分层破坏,其载荷—位移曲线表现出明显的非线性行为。本文基于连续介质力学模型,对该实验观察到的界面裂纹萌生和沿界面扩展过程进行了数值模拟计算与分析。模拟计算中,采用指数型内聚力来表征Si/Cu界面本构关系,对Cu薄层分别按照线弹性和遵守Ramberg-Osgood型弹塑性本构关系来处理。通过与实验结果校准的方法,确定了该纳米悬臂梁中Si/Cu界面的结合强度诸参数。研究发现,内聚强度和内聚能是该内聚力模型的主导性参数;Cu薄膜层遵从线弹性本构关系更为适合于描述Si/Cu界面的分层破坏;与块体材料相比,纳米尺寸的Cu材料表现出很高的屈服应力和硬化指数,因此在整个过程中产生的塑性变形很小,这与前述的实验结果是一致的。     

基于实验的反演识别方法及其在材料力学性能研究中的应用

本文介绍了基于实验的反演识别方法,综述了该方法在材料力学以及界面力学性能研究中的应用。内容包括：讨论了基于实验反演识别整体化策略与若干关键技术,比较了几种识别算法的优缺点,给出了在金属基复合材料界面力学损伤与破坏及考虑时间效应的粘接界面力学模型与实验表征方面的应用,简介了在其它材料力学性能研究等方面取得的进展。最后,对该实验分析方法发展趋势进行简要评述。     

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。     

共混/填充高分子复合材料界面力学行为实验研究进展

本文首先介绍了高聚物复合材料界面微观结构的特点和界面破坏的微观形式, 在此基础上,详细回顾了粒子填充高分子复合材料和共混高分子合金两类材料的界面力学性能实验研究的进展,总结了研究粒子/基体界面力学性能的实验方法和用这些方法获得的实验结果。介绍的实验方法从宏观拉伸实验到细观在位拉伸实验, 从定性的断口形貌分析到定量的界面强度和粘结能计算, 从不同层次和角度阐述了研究界面性能各种方法的优缺点。最后, 作者根据综合分析的结果, 指出了实验研究界面力学性能遇到的主要困难来自实验仪器的局限性和实验方法的匮乏性。为了获得可靠的界面性能, 一方面应该设计出利于表征的界面, 另一方面需要在实验技术上有所创新。相信该文对于深入了解和研究共混/填充高分子复合材料的界面问题, 以及其它类型材料的界面问题具有一定的借鉴意义。      

钨合金三点弯曲破坏的细观数值模拟

运用有限元方法模拟了钨合金材料的三点弯曲实验;采用单胞单元计算模型,分析了断口形貌与材料力学性能之间的关系;建立了宏观断裂形式与微观结构参数之间的关联.结果表明:裂纹主要产生在 W-W 界面、W-M 界面,且在基体中向前发展,钨合金材料的破坏可归结为延性材料的破坏;裂纹的尖端始终处于应力集中的状态,随着裂纹的扩展,拉应力集中不断释放,并且转移到新的裂纹尖端;裂纹尖端的单元为拉伸破坏,拉应力是导致裂纹扩展的主要因素.     

一种岩石概率型本构及其应用

在岩石材料非均匀特性的基础上，建立了弹塑性概率材料本构．认为材料单元的切线模量与破坏强度都是服从二参数Weibull分布的随机量，通过用户材料子程序将该本构导入到LS—DYNA3D中，推导了程序流程，分析了导入过程中的关键技术．算例验证表明，应用该本构模拟得出的现象与实验观测完全一致，这是确定性本构无法实现的．     

动态断裂力学的无限相似边界元法

对弹性动力学的相似边界元法进行了进一步研究,推导了相应的计算公式,并在此基础上提出了动态断裂力学的无限相似边界元法.与传统的边界元法相比,相似边界元法由于只需在少数单元上进行数值积分,大大减少了计算量.对动态断裂力学问题,无限相似边界元法由于在裂纹尖端的边界上设置了逼近于裂纹尖端的无限个相似边界单元,可直接得到裂纹尖端具有奇异性的应力,而不需要设置奇异单元,从而突破了奇异单元对应力奇异性阶次的局限.另外,还讨论了无限相似边界元法得到的无限阶的线性代数方程组的求解方法.     

拟协调元研究综述

拟协调元是有限元中十分重要的、具有特色的一种列式体系. 拟协调元列式简单、灵活, 统一了协 调元、非协调元等列式方法. 在列式中, 拟协调元将几何方程和平衡方程同时弱化, 并强调基函数在有限元空 间中的重要作用; 借助对位移和应变离散精度的控制, 拟协调元保障了单元的收敛性, 并可以利用泰勒展开校 核进行简便直接的收敛性分析. 研究者们利用拟协调元已经构造了大量的优秀的单元, 并广泛地应用到结构问 题、流体流动问题、非线性分析、稳定性和破坏分析等方面. 这些工作集中体现了拟协调元的理论价值和工程 应用价值. 对拟协调列式方法、列式理论和已发表文献中的主要拟协调单元进行了总结. 最后对拟协调的研究 工作进行了展望.      

多边形有限元研究进展

有限元法是数值求解偏微分方程边值问题的重要方法,采用不规则多边形单元网格, 可以方便有效地模拟材料的力学性能, 又使得区域网格剖分变得灵活方便. 特别是对于复杂的几何形状, 多边形单元网格具有更大的优势. 本文对国内外有关多边形有限元法的最新进展作了初步的总结和评述, 主要以基于位移法的多边形有限元为主.论述了多边形有限元的发展历史, 给出了多边形单元上的Wachspress插值、Laplace插值和重心坐标的一些最新研究成果. 与经典有限元法形函数为多项式形式不同, 多边形单元的形函数为有理函数或者无理函数形式. 多边形单元插值形函数满足线性完备性, 可以再现线性位移场, 像经典有限元法一样直接施加本质边界条件; 插值函数在多边形的边界上是线性的,确保不同单元间的自动协调. 不同单元的插值形函数表达公式形式统一, 方便混合单元网格计算的程序编写. 提出了多边形有限元法今后需要研究的问题.      

无限元方法及其应用

限元是几何上趋于无穷的单元，它是一种特殊的有限元,也是对有限元在求解无界域 问题上的有效补充, 并可实现与有限元间的无缝连接.无限元分为映射无限元和非映射 无限元:映射无限元需要引入几何映射,在局部坐标系中构造插值形状函数,如Bettess 元和Astley元;非映射无限元则直接在整体坐标系中构造插值形状函数,如Burnett元. 本文评述求解无界域问题的无限元方法的研究现状和最新发展.首先介绍无限单元的概念 和无限元方法的特点;围绕求解以Helmholtz方程控制的波动问题,评述几种常规无限单 元的优劣,这些单元包括Bettess元、Astley元和Burnett元.然后介绍新近提出的广义 无限元方法,以及与常规无限元方法的区别与联系.最后对无限元方法在各种问题中的 应用做了总结.     

自由单元法及其在结构分析中的应用

通过吸收有限元与无网格法的优点,提出了一种新的数值方法------自由单元法.此方法在离散方面,采用有限元法中的等参单元,表征几何形状和进行物理量的插值;在算法方面,采用单元配点技术,逐点产生系统方程.主要特点是,在每个配置点只需要一个和周围自由选择的节点而形成的一个独立的等参单元,因而不需要考虑物理量在单元之间的相互连接关系与导数连续性问题. 本文介绍强形式与弱形式两种自由单元法,前者直接由控制方程和边界条件直接产生系统方程,后者通过在自由单元上建立控制方程的加权余量式产生弱形式积分式,并通过像传统有限元法中的积分过程建立系统方程组.本文提出的方法是一种单元配点法,对于域内点为了获得较高的导数精度,需要采用至少具有一个内部点的等参单元,为此除了可使用各阶次的拉格朗日四边形单元外, 还 给出了七节点三角形等参单元,用于模拟较为复杂的几何形状问题.      

用拟协调元直接构造平面任意四边形单元——进入有限元的禁区

利用拟协调元方法,在直角坐标系下直接构造了一族平面任意四边形单元,对其收敛性进行了分析,并与平面等参元进行了对比研究.结果证明平面任意四边形单元可采用多项式基函数直接列式,并可以保障单元的收敛性;拟协调元列式可以使平面问题的有限元方法得到统一.与平面等参元相比,单元列式简单,性能稳定,具有显式的刚度阵,计算量小,这说明对于有限元平面问题拟协调元是一个更正确、有效的做法.      

二维正交各向异性位势问题的高阶单元快速多极边界元法

研制了一种适用于二维正交各向异性位势问题的高阶单元(线性单元和二次单元)快速多极边界元法. 在快速多极边界元法中, 源点对于远场区域的积分采用快速多极展开式计算, 而对于近场区域的积分则直接进行计算. 高阶单元的使用使得近场积分, 尤其是奇异积分和几乎奇异积分的计算更加复杂. 通过引入复数表达对其进行简化, 若边界采用线性单元插值, 近场积分可直接解析计算; 若采用二次单元插值, 则给出一个半解析算法计算近场积分. 高阶单元奇异积分和几乎奇异积分计算难题的解决, 使得高阶单元快速多极边界元法不仅能够计算一般结构, 也能被应用于超薄体结构, 拓宽了高阶单元快速多极边界元法的适用范围. 数值算例表明, 若计算精度一定, 高阶单元快速多极边界元法较常值单元快速多极边界元法使用的单元数量显著减少, 且高阶单元快速多极边界元法计算时间与自由度数量成线性关系, 其计算效率仍处于$O(N)$量级, 因此高阶单元快速多极边界元法可更加高效求解大规模问题.      

薄板弯曲问题的P型杂交解析有限元方法

本文采用两套变量构造有限元试函数空间，在单元内部要求试函数精确满足平衡微分方程，在单元边界上对位移和转角分别用Ｐｅａｎｏ升阶函数插值，然后利用广义变分原理建立了一种薄板弯曲问题的Ｐ型杂交解析有限方法，与常规有限元法相比，该方法不心进行过细的网格剖分，通过增加单元插值多项式的阶数Ｐ来提高精度，此外，该方法还具有积分计算只需在单元边界上进行、单元钢度矩阵和载荷向量具有嵌入结构、协调程度可以自动控制等优     

弱连续条件下的九参三角形板元

首先对薄板弯曲平衡方程的弱形式进行了推导,导出保证单元收敛的弱协调条件,即三角形顶点函数值连续和三边的法向导数积分连续这两个条件;对比拟协调元、广义协调元和双参数法中所使用的3个积分连续条件,本条件更弱;再对这3个积分协调条件的构成方法进行了总结和分析,现有采用积分连续条件构造的有限元大都采用了这些构成方法.采用弱协调条件构造有限元,比原来的构造范围更广,井以此构造出几种单元作为算例.采用这种构成法还可构造多种单元,它们都具有采用最小势能原理法构成有限元的简便的优点,并在任意网格下收敛到真解.