扭力轴三维裂纹扩展寿命仿真研究

对疲劳载荷谱作用下三维表面裂纹,采用双重边界元理论求解裂纹前沿的应力应变场,运用Forman理论、最小应变能密度法和Elber模型,计算裂纹前沿各点的扩展长度、扩展方向和应力强度因子等特征量.根据增量步下裂纹几何形状的改变,对裂纹面进行网格重划分和迭代计算,模拟三维裂纹的扩展,预测裂纹扩展寿命.扭力轴表面裂纹扩展的仿真结果表明该方法合理可行.     

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。     

各向异性对平板裂纹扩展路径的影响研究

近场动力学理论克服了经典连续介质力学在模拟裂纹扩展方面的不足。本文基于微梁键构建了一般各向异性近场动力学平面模型,并探讨了各向异性对于裂纹扩展路径的影响。首先,建立一般各向异性的微梁键,并基于插值法建立了一般各向异性近场动力学平面模型的应变能密度表达式;然后,利用应变能密度互等原理求解出近场动力学平面本构模型的一般各向异性参数;最后,通过带初始切口的平板断裂实验研究了不同各向异性参数对于平板裂纹扩展路径的影响。     

基于裂纹扩展的疲劳-蠕变寿命预测

为了提高疲劳-蠕变寿命的预测精度,首次从裂纹扩展角度出发引入有效应变能密度增量,利用应力-应变迟滞回线所围图形的正值面积对其进行了定义和计算。计算表明,有效应变能密度增量与加载的应力、速率、保载时间、材料性质及疲劳-蠕变的速率相关,且随压应力增加而增大。通过将有效应变能密度增量与裂纹的长度之积定义为裂纹扩展的控制参量,建立了疲劳-蠕变下的裂纹扩展速率方程,并由此导出了疲劳-蠕变寿命与有效应变能密度增量之间的关系式。该式中的疲劳与蠕变有效应变能密度增量交叉项恰好反映了疲劳与蠕变的交互作用。最后,采用该式对1.25Cr0.5Mo钢在540℃时不同应力控制下的疲劳-蠕变寿命进行了预测,发现83.3%的预测值在实验值的1.3倍分散带以内,预测结果良好。     

平面应力裂纹稳态扩展的弹塑性大变形有限元分析

本文根据平面应力弹塑性断裂的带状颈缩区模型,以裂纹顶端颈缩区的相对伸长达到材料延伸率作为裂纹扩展的准则,采用塑性大变形的基本方程和有限元方法,计算了含中心裂纹的铝合金薄板在均匀拉伸作用下的裂纹稳态扩展过程,计算结果与实验结果符合很好。     

流固耦合破坏分析的多分辨率PD-SPH方法

流固耦合破坏是一类涉及结构变形与破坏以及复杂自由表面现象的强非线性力学问题. 结合近场动力学(peridynamics, PD)与光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)各自的优势并考虑其计算效率问题, 提出一种适用于分析流?固耦合破坏问题的多分辨率PD-SPH混合方法. 分别采用SPH和PD方法以不同的空间和时间分辨率对流体和结构进行离散与求解, 利用具有与流体粒子相同光滑长度的虚粒子处理流?固界面, 以高精度满足界面边界条件. 通过两个经典算例: 液柱静压力下弹性板的变形和溃坝流体冲击弹性闸门的变形问题, 表明提出的多分辨率PD-SPH方法兼具较高的计算精度和计算效率; 对含裂缝的Koyna重力坝水力劈裂问题进行模拟计算, 所得裂缝扩展路径与文献结果吻合, 说明该方法适用于涉及结构破坏的流固耦合问题仿真. 最后尝试采用该方法进行流体冲击作用下含裂纹混凝土板崩塌过程数值仿真, 准确描述混凝土板的断裂破坏和全过程中的流体运动. 多分辨率PD-SPH混合方法或可为流?固耦合作用下的结构损伤破坏仿真提供一种新选择.      

压缩载荷作用下岩石的细观损伤和塑性研究

建立岩石微裂纹扩展的细观力学模型,研究了岩石的细观损伤和塑性性质.压缩载荷下微裂纹尖端翼裂纹稳定扩展表征岩石的细观损伤,采用应变能密度准则求解复合型断裂的翼裂纹扩展长度,微裂隙统计的二参数Weibull函数模型反映绝对体积应变对微裂纹分布数目影响,进而用翼裂纹扩展所表征的应力释放体积和微裂纹数目来表示含有微裂隙的岩石损伤演化变量;宏观塑性屈服函数采用Voyiadjis等的等效塑性应变的硬化函数,反映了塑性内变量对硬化函数的影响;建立岩石模型的本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制了模型的本构程序.分析弹塑性损伤模型的围压对岩石损伤的影响,并从围压和短微裂隙长度等因素分析模型的岩石的损伤和宏观塑性特性.     

连续介质力学与断裂

在这篇文章里,我们结合断裂问题回顾连续介质办学的发展,并指出,为了更深地理解和描述断裂现象,还需要进一步完善连续介质力学。一、经典弹塑性理论应用于断裂时的局限性和Grifith的理论现讨论一维应变条件下裂纹的扩展问题。我们假设1.材料是均匀的,就是说,所讨论的材料是没有内部结构的; 2.材料是弹性的,但允许有非线性和大变形所导致的几何非线性;      

压力容器高应变区应变疲劳裂纹扩展试验研究

针对压力容器几何结构不连续高应变区断裂和疲劳破坏特点,本文通过对应变循环条件下疲劳裂纹扩展影响因素和控制参量的理论分析,提出将△J作为应变循环条件下疲劳裂纹扩展速率的控制参量,并在EPRI弹塑性断裂分析工程方法基础上,提出了△J的工程计算方法,并通过模拟应变疲劳裂纹扩展的SCT试样试验,验证了△J工程计算方法的可靠性,根据SCT试样应变疲劳裂纹扩展试验研究结果,在考虑了压力容器高应变区几何形状和材质变化对应变疲劳裂纹扩展参量影响后,提出了一种压力容器高应变区应变疲劳裂纹扩展速率工程估算方法。     

考虑微结构特征的陶瓷材料含损伤本构模型

为了研究不同微结构陶瓷材料的冲击破坏特征,以从微结构角度出发、描述陶瓷材料非弹性变形和断裂行为的Deshpande-Evan模型为基础构建本构模型,计算了无约束条件下材料的应力状态。为了验证改进模型的有效性,将VUMAT子程序编程方法将与ABAQUS有限元软件相结合,并将其应用于典型陶瓷材料（YAG透明陶瓷）冲击破坏过程的分析模拟。采用改进模型分析应变率、应力三轴度、晶粒尺寸及初始缺陷分布密度对YAG透明陶瓷动态力学行为和损伤演化机制的影响规律。结果表明：随着晶粒尺寸和裂纹分布密度的增加,YAG透明陶瓷破坏程度随之加剧,完全损伤区域面积也随之增加,晶粒尺寸对YAG透明陶瓷宏观破坏特征的影响程度要大于裂纹分布密度;YAG透明陶瓷失效强度以及断裂应变随着晶粒尺寸以及初始缺陷分布密度的增大而减小;随着应变率不断增加,YAG透明陶瓷在不同晶粒尺寸以及初始缺陷分布密度下的峰值应力和断裂应变均随之增加;裂纹扩展速度会随着晶粒尺寸的增加呈现出先增加而后平缓的趋势,裂纹扩展速度与初始缺陷分布密度系数成线性关系。改进模型可以描述YAG透明陶瓷微结构对其宏观破坏特征的影响,为进一步分析微结构对陶瓷材料宏观...     

Finite deformation analysis of mechanism-based strain gradient plasticity: torsion and crack tip field

A finite deformation theory of mechanism-based strain gradient (MSG) plasticity is developed in this paper based on the Taylor dislocation model. The theory ensures the proper decomposition of deformation in order to exclude the volumetric deformation from the strain gradient tensor since the latter represents the density of geometrically necessary dislocations. The solution for a thin cylinder under large torsion is obtained. The numerical method is used to investigate the finite deformation crack tip field in MSG plasticity. It is established that the stress level around a crack tip in MSG plasticity is significantly higher than its counterpart (i.e. HRR field) in classical plasticity.     

含随机参数的非线性黏弹性有限元计算

进行了粗粒土与结构接触面单调和循环加载试验，基于宏细观测量结果, 扩展了 损伤概念以 描述该类接触面在受载过程中的物态演化, 及由于物态演化导致的力学特性从初始状态到最终 稳定状态的连续变化过程. 揭示了接触面损伤的细观物理基础主要是接触面内土的颗粒破碎 和剪切压密这两种物态演化；指出接触面的剪胀体应变可以划分为可逆性和不可逆性剪胀体 应变两部分，其中不可逆性剪胀体应变可作为接触面损伤发展的宏观量度，因此其归一化 形式可作为一种损伤因子的定义；提出了建立粗粒土与结构接触面一种损伤本构关系的基本思路.     

层合板六参量几何非线性高阶剪切理论

提出了层合板六参量的高阶剪切变形理论的位移场假定,以考虑在大变形条件下层合板法向变形和厚度的变化。同时对ｖｏｎ Ｋａｒｍａｎ应变位移简化假设进行补充修改,考虑某些有限变形条件下被忽略小量的影响,建立了对应于该文六参量模型和更加适凳大变形分析的层合板几何非线性关系,平衡方程和边界条件。利用该文模型分析了橡胶复合材料简支板的大变形弯曲行为,并对比Ｒｅｄｄｙ五参量几何非线性简单高阶剪切变形层合理论解和弹     

A unified nonlinear formulation for plate and shell theories

A general geometrically exact nonlinear theory for the dynamics of laminated plates and shells under-going large-rotation and small-strain vibrations in three-dimensional space is presented. The theory fully accounts for geometric nonlinearities by using the new concepts of local displacements and local engineering stress and strain measures, a new interpretation and manipulation of the virtual local rotations, an exact coordinate transformation, and the extended Hamilton principle. Moreover, the model accounts for shear coupling effects, continuity of interlaminar shear stresses, free shear-stress conditions on the bonding surfaces, and extensionality. Because the only differences among different plates and shells are the initial curvatures of the coordinates used in the modeling and all possible initial curvatures are included in the formulation, the theory is valid for any plate or shell geometry and contains most of the existing nonlinear and shear-deformable plate and shell theories as special cases. Five fully nonlinear partial-differential equations and corresponding boundary and corner conditions are obtained, which describe the extension-extension-bending-shear-shear vibrations of general laminated two-dimensional structures and display linear elastic and nonlinear geometric coupling among all motions. Moreover, the energy and Newtonian formulations are completely correlated in the theory.     

Buckling and post-buckling analysis for magneto-elastic–plastic ferromagnetic beam-plates with unmovable simple supports

This paper presents an analysis of buckling/snapping, bending and post-buckling/snapping behaviors of magneto-elastic–plastic interaction and coupling for soft ferromagnetic beam-plates with geometrically nonlinear deformation and unmovable simple supports at the ends of the plates. Based on the expression of magnetic force from the variational principle of ferromagnetic plates, the theory of thin plates with the nonlinear deformation of van Karman’s type, and the Mises yield criterion and the increment theory for plastic deformation, here, we establish a numerical code to quantitatively simulate the behaviors of the nonlinearly multi-coupling problems by the finite element method. Along with that the phenomena of buckling, bending, and post-buckling/snapping, or the characteristic curve of deflection versus magnitude of applied magnetic fields are numerically displayed, the critical values of buckling/snapping and yield magnetic fields, and the expansibility of plastic region after the plates undergo plastic deformation with increasing of the applied magnetic fields, as well as the evolvement of deflection configuration of the plate are numerically obtained in a case study.     

板壳有限变形精确理论及有限元列式

以位移型退化壳理论为基础,提出了板壳模型的有限变形精确理论,该理论引入转动伪矢量概念,充分发挥刚性线段的运动学模型和有限转动矩和作用,精确表达非线性位移－应变关系,抛弃以往的小位移、小应变、小转动增量乃至小加载小长等各种简化假设,并严格遵循能量共轭关系建立有限元平衡方程,能够可靠和有效地用于板壳结构的大位移、大转动分析。算例表明,该文列式在弹性范围内具明显的平方收敛效率,并且计算结果与加载步长无关。由于不受小加载步长、小转动增量等的限制,实现了板壳几何非线性问题的大步长加载。     

两类基于局部标架梁单元的闭锁缓解方法

对于大转动、大变形柔性体的刚柔耦合动力学问题,基于李群SE(3)局部标架(local frame formulation, LFF)的建模方法能够规避刚体运动带来的几何非线性问题,离散数值模型中广义质量矩阵与切线刚度矩阵满足刚体变换的不变性,可明显地提高柔性多体系统动力学问题的计算效率. 有限元方法中,闭锁问题是导致单元收敛性能低下的主要原因, 例如梁单元的剪切以及泊松闭锁.多变量变分原理是缓解梁、板/壳单元闭锁的有效手段. 该方法不仅离散位移场,同时离散应力场或应变场, 可提高应力与应变的计算精度. 本文基于上述局部标架,研究几类梁单元的闭锁处理方法, 包括几何精确梁(geometrically exact beam formulation, GEBF)与绝对节点坐标(absolute nodal coordinate formulation, ANCF)梁单元. 其中, 采用Hu-Washizu三场变分原理缓解几何精确梁单元中的剪切闭锁,采用应变分解法缓解基于局部标架的ANCF全参数梁单元中的泊松闭锁. 数值算例表明,局部标架的梁单元在描述高转速或大变形柔性多体系统时,可消除刚体运动带来的几何非线性, 极大地减少系统质量矩阵和刚度矩阵的更新次数.缓解闭锁后的几类局部标架梁单元收敛性均得到了明显提升.      

双层纤维压电智能薄板几何非线性建模与分析

纤维压电MFC(Micro-Fiber Composite)的强致动力和高柔性等特点具有广泛的应用前景,但是材料组成结构复杂给建模带来了难处。基于Reissner-Mindlin假设,采用冯卡门非线性、中等转角及大转角几何非线性等理论,建立了MFC压电智能结构的多种几何非线性有限元模型。同时该模型考虑了压电纤维角度变化对结构形变的影响。分别对两种不同结构的MFC进行了建模与仿真,分别是MFC-d31和MFC-d33,前一种主要利用压电d31效应,而后一种主要利用压电d33效应。随后,通过一压电悬臂梁结构实验数据验证了模型的准确性。最后,利用所建模型对一种双层纤维压电智能薄板结构进行了几何非线性的计算与仿真。