材料破坏过程中应力分布的数值光弹图

 介绍应用材料破坏过程分析(MFPA)系统进行材料破坏过程应力 场分析的“数值光弹”方法. 给出了几种材料试样在外部载荷作用 下变形或破坏时的内部应力分布条纹图. 结果表明(MFPA)系统为研 究材料破坏过程中的应力分布提供了一种简单易行的分析方法.     

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。     

布孔方式对孔洞材料宏观力学性能影响的研究

运用材料破坏过程分析MFPA2D系统,从细观力学和损伤力学角度,研究了布孔方式对孔洞材料宏观力学性能以及破坏机理的影响。在研究中,分别建立了三种含双孔、四孔以及多孔的正方形数值模型。双孔以沿试件垂直中心线重叠布置,沿试件水平中心线并列布置和沿试件对角线倾斜布置三种方式进行布孔,四孔以正方形和菱形两种布孔方式置于试件中央区域,多孔成排布置并使其相邻四孔成正方形和菱形镶嵌于试件中。然后对这三种试件分别进行了标准的单轴压缩数值试验。通过对试验结果的讨论,阐明了布孔方式对孔洞材料宏观力学行为和细观损伤机理的影响。结果表明:孔洞的相互作用既可以增强应力集中程度,也可以减弱应力集中程度;正方形布孔方式比菱形布孔方式使孔洞材料具有更高的承载能力;多孔材料的延性断裂行为是孔洞应力屏蔽作用和材料损伤局部化行为共同作用的结果。     

不同加载速度下脆性颗粒的破坏特性

对直径为8mm的K9玻璃球进行了加载速度为2×10-7和2×10-6m/s的准静态单轴压缩实验以及加载速度为3.4、7.1和10.6m/s的动态单轴压缩实验,研究了K9玻璃单颗粒破碎强度的Weibull分布特性,结合破碎产物的形貌特征,分析了不同加载速度下脆性材料拉伸破坏机制和剪切破坏机制的转变过程,提出了一种拉剪耦合的时序破坏模型,由此揭示了加载速度与3个破坏区的关系。考虑拉伸和剪切失效准则,应用ABAQUS软件进行数值模拟,并初步验证了该破坏模型的冲击过程。研究结果对于认识脆性颗粒材料的动态破坏具有很好的参考意义。     

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。     

脆性材料热-力耦合模型及热破裂数值分析方法

针对混凝土、岩石等脆性材料,利用热传导和热-力耦合的相关理论,并结合材料在细观尺度上的损伤演化规律,提出了一种考虑损伤的热-力耦合模型,并在原有材料破坏过程分析系统RFPA(Realistic Failure Process Analysis)模型的基础上建立了脆性材料热破裂过程分析的数值模拟方法.该方法考虑了脆性材料在细观层次上力学性质的非均匀性(包括强度、弹模、传导系数等),并通过统计分布函数建立了宏、细观力学性能之间的联系.对不同均匀程度材料的数值模拟结果表明:材料的非均匀性对热传导规律、热应力分布以及热破坏模式有较大的影响.材料热力学性质的非均匀性加剧了材料内部热应力分布的非均匀性,这是致使非均匀材料热破裂的一个重要因素.对稳态和瞬态热传导两种条件下的脆性介质破裂过程模拟分析表明,考虑瞬态热传导计算所得到的破裂区小于相同条件下稳态热传导所得到的结果,表明在热破裂过程分析中,应注重考虑瞬态热传导对破裂过程的影响.     

模拟岩石材料脆性破裂过程的三维离散元模型

发展一种能够模拟岩石材料脆性破裂过程的三维不规则、可变形块体离散元模型.一方面,在裂纹扩展过程中动态地将潜在破坏的连续块体沿潜在破坏方向细化为若干子块体,并在子块体之间的界面上设置连接型弹簧;另一方面,连接型弹簧在满足张拉-剪切复合破坏准则时发生脆性破裂,转变为接触型弹簧,实现材料由连续到非连续的破裂.借助动态松弛技术完成求解,通过计算实例验证该方法的适用性.     

三维非均匀脆性材料破坏过程的数值模拟

采用有限元方法模拟了三维均匀固体材料在宏观等效力学性质和破坏过程。首先采用格形（lattice）方法把试件离散成三维均匀网格,在每个单元格中将材料按照均匀处理,根据给定的统计规则来确定不同单元格中的材料常数以反映材料的非均匀性。然后对非均匀脆性材料选用简单的本构关系与断裂准则,采用自适应选取载荷步长对试件进行加载,通过非平衡迭代技术对刚度矩阵进行不断修正,实现了非均匀脆性材料的弹性行为及破坏过程的数值模拟。在此基础上,通过数值计算研究了材料的非均匀分布对宏观等效力学性质和破坏过程的影响,给出了破坏全过程的非线性载荷－位移曲线以及不同载荷阶段的三维损伤破坏的演化图。     

动能弹侵彻素混凝土板的数值模拟

用二维梁-颗粒模型BPM2D(Beam-Particle Model in Two Dimensions)模拟了刚性弹体侵彻和贯穿素混凝土板的过程．梁-颗粒模型BPM2D是在离散元法基础上,结合有限元法开发的二维数值计算模型．在模型中用三种类型梁单元形成混凝土数值试样．每种类型梁单元的力学性质均按韦布尔(Weibull)分布随机赋值以模拟混凝土细观结构的非均匀性,同时梁单元的强度随应变率不同而变化．利用此模型分析了弹体侵彻下混凝土板的破坏过程,并给出不同弹体初始速度条件下各时刻混凝土和弹体内部速度场．通过将计算结果与实验数据及LS—DYNA程序模拟结果相比较,表明梁-颗粒模型可有效应用于计算和模拟脆性材料动态破坏问题．     

冻土动态力学性能的实验研究

利用分离式霍布金森压杆(SHPB)对4种低温下的冻土进行了4种高应变 率的动态压缩实验. 实验结果表明：冻土不仅具有温度效应，还具有应变率效应，两种效应 反映出冻土材料的时温等效性. 另外这种时温等效性在分析冻土材料的破坏过程时还体现在 它的冻脆性和动脆性. 冻土材料动态应力应变曲线的汇聚现象和振荡现象均起源于这种冻脆 性和动脆性.     

Theoretical statistical solution and numerical simulation of heterogeneous brittle materials

The analytical stress-strain relation with heterogeneous parameters is derived for theheterogeneous brittle materials under a uniaxial extensional load, in which the distributions of theelastic modulus and the failure strength are assumed to be statistically independent. This theoreticalsolution gives an approximate estimate of the equivalent stress-strain relations for 3-D heterogeneousmaterials. In one-dimensional cases it may provide comparatively accurate results. The theoreticalsolution can help us to explain how the heterogeneity influences the mechanical behaviors, Further, anumerical approach is developed to model the non-linear behavior of three-dimensional heterogeneousbrittle materials. The lattice approach and statistical techniques are applied to simulate the initialheterogeneity of heterogeneous materials. The load increment in each loading stage is adaptivelydetermined so that the better approximation of the failure process can be realized. When the maximumtensile principal strain exceeds the failure strain, the elements are considered to be broken, which canbe carried out by replacing its Young‘s modulus with a very small value. A 3-D heterogeneous brittlematerial specimen is simulated during a full failure process. The numerical results are in good agreementwith the analytical solutions and experimental data.     

岩石材料动态破坏的近场动力学方法数值模拟

裂纹的聚集、扩展、分叉是岩石等脆性材料破坏失效的关键因素，本文在验证了近场动力学方法在研究岩石类材料裂纹动态扩展方面的有效性之后，采用近场动力学方法分别对冲击载荷作用下含有双裂纹岩石材料和单轴压缩作用下含单斜裂纹的岩石材料进行数值模拟．结果表明，对于双垂直裂纹，其裂纹扩展路径大致与预制裂纹成70°夹角；对于单裂纹，裂纹的扩展路径随裂纹倾角的变化而变化，最终导致构件的整体破坏．数值模拟结果表明近场动力学方法可以很好地模拟岩石等脆性材料的裂纹扩展直至破坏的过程，反映裂纹扩展的物理机理；其作为一种新的基于非局部理论的数值方法，在地下岩体工程方面及页岩气的开采方面会有很好的发展前景．     

岩石弹塑性破裂过程的数值模拟研究

分析了对于非均质、非连续且材料参数分布具有分散性和随机性的岩体介质，采用传统有限元法解决其工程问题的局限性．阐述了用岩石力学性质的分布特性来描述岩石材料不均匀性，并用蒙特卡洛模拟方法，将符合Weibull分布规律的材料参数赋予岩体结构中的各个单元体，进而用计算机进行数值模拟的研究方法．应用了在Windows95环境下利用FORTRAN Power Station4．0平台开发的具有可视性的“岩石弹塑性破裂过程分析”软件——REPFPA软件，对典型的岩石试样和巷道模型的弹塑性破裂过程进行数值模拟研究，得到了有价值的实验结果．证明把材料参数随机赋值方法引入到岩土类材料的弹塑性破裂过程分析中去，并用计算机进行数值模拟是研究岩石弹塑性破裂过程的一种有效方法。     

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。     

考虑相变的近场动力学热?力耦合模型及多孔介质冻结破坏模拟

多孔介质的传热传质现象广泛存在于自然界和工业领域中. 低温条件可能导致多孔介质中的组分发生相变, 并由此诱发材料损伤, 甚至导致结构失效破坏. 对这类破坏现象的预测需要精细化建模, 以能够反映物质的相变过程和材料的破坏特征. 本文采用热焓法改写经典的热传导方程, 在近场动力学框架下, 建立了一种考虑物质相变的热?力耦合模型, 发展了交错显式求解的数值计算方法, 进行了方板角冻结、热致变形和多孔介质冻结破坏等问题的模拟, 得到了方板的冻结特征、温度场和变形场的分布规律以及多孔介质的冻结破坏过程, 与试验和其他数值方法的结果具有较好的一致性. 研究表明, 本文所建立的考虑物质相变的近场动力学热?力耦合模型能够反映材料的非局部效应和物质相变潜热的影响, 准确捕捉相变过程中液固界面的演化特征, 再现多孔介质中材料相变、基质热致变形和冻结破坏过程, 突破了传统连续性模型求解这类破坏问题时面临的瓶颈, 为深入研究多孔介质冻融破坏过程和破坏机理提供了有效途径.      

岩石试样弹塑性破裂过程的数值模拟分析

依据岩土类材料的非匀质性特性，并采用对材料参数进行随机赋值的方法研制了弹塑性破裂过程数值分析程序，并用实例证明了程序的可靠性。应用该程序对岩石试样弹塑性破裂过程进行数值模拟研究．分析表明：数值模拟结果与试验研究结果是吻合的。从而为工程岩体断裂分析提出了一种可能的方法与途径。     

热障涂层的破坏机理与寿命预测

热障涂层作为航空发动机和燃气轮机高温部件的关键材料, 其破坏机理与寿命预测是热障涂层研究中急需解决的关键问题. 本文回顾了热障涂层的发展历史与研究现状, 着重介绍了国内外关于热障涂层破坏机理、实验检测技术、实验模拟系统以及寿命预测研究方面的最新成果, 展望了热障涂层研究的发展趋势.     

Plastic failure analysis of an auxetic foam or inverted strut lattice under longitudinal and shear loads

Auxetic materials possess negative Poisson's ratios. As such, they can be applied in situations where traditional materials perform poorly or cannot perform. We investigate the plastic failure of a 3D auxetic strut lattice under uniaxial and transverse loads in order to complement ongoing research in miniaturized strut-based sandwich cores. The chosen lattice is also representative of an auxetic foam. Plastic failure models derived with respect to two physical parameters (packing parameter and relative density) which control the negative Poisson's ratio compare well with numerical data. Microscopic failure modes differ depending on the loading state: shear failure is due to global plastic yielding while plastic localization occurs under uniaxial loads. This observation suggests among others that it is advisable to use auxetic cores when structural softness under normal loads and hardness under transverse loads are both critical design conditions.     

一个修正的金属材料低周疲劳损伤模型

疲劳破坏是金属最常见的失效形式之一。基于连续损伤力学理论和能量原理,本文提出了一个修正的金属材料低周疲劳损伤演化方程,该方程综合考虑了材料的塑性强化、微裂纹闭合效应等因素对损伤累积的影响。将修正后的损伤演化方程以UMAT子程序的形式导入有限元计算软件ABAQUS之中,建立了疲劳损伤的计算模型,并以铝合金7050-T7451为例对该模型的有效性和适用性进行了验证。     

基于扩展有限元法的颗粒增强复合材料静态及动态断裂行为研究

运用不含裂尖增强函数的扩展有限元法,分别研究了静态及动态载荷作用下颗粒增强复合材料的断裂行为。假定基体和颗粒都为线弹性材料并且绑定完好,研究了不同颗粒位置、数量对基体裂纹尖端断裂参数的影响。数值模拟结果清晰地显示了含刚性颗粒和柔性颗粒时不同的失效机制。结果同时证明本文采用的数值方法能够准确预报颗粒增强复合材料的断裂行为,也更易于被工程界所接受