非常规态型近场动力学热黏塑性模型及其应用

在非常规态型近场动力学(non-ordinary state-based peridynamics, NOSB-PD) 理论框架下构建了考虑应变率效应、塑性硬化、热软化效应和材料断裂特征的非局部三维热黏塑性固体本构模型以及相应的非局部空间积分型数值算法, 并应用于金属类材料和构件在冲击载荷作用等工况下的高应变率热黏塑性变形与破坏分析. 通过对经典含初始裂纹Kalthoff-Winkler板冲击试验进行三维近场动力学模拟, 可得到裂纹的起裂角度、扩展路径、扩展速度以及裂纹扩展过程中靶板等效应力和温度分布, 所得结果与已有试验结果和其他数值方法结果吻合较好. 在此基础上, 应用该模型分析了不同冲击速度作用下金属靶板的变形与裂纹扩展过程, 结果表明: 该模型能较好地模拟不同冲击速度(应变率)情况下靶板的变形与破坏全过程. 随着冲击速度变化, 初始裂纹的起裂时间、扩展方向和扩展速度呈一定规律变化. 冲击速度越低, 起裂时间越晚(直至冲击速度低于某值时初始裂纹不扩展), 裂纹扩展速度峰值越低, 冲击过程中靶板温度峰值越低, 完全扩展所需时间越长.      

Ⅱ型动态扩展裂纹尖端的弹黏塑性渐近场

考虑材料的黏性效应建立了Ⅱ型动态扩展裂纹尖端的力学模型,假设黏性系数与塑性等效应变率的幂次成反比,通过分析使尖端场的弹、黏、塑性得到合理匹配,并给出边界条件作为扩展裂纹定解的补充条件,对理想塑性材料中平面应变扩展裂纹尖端场进行了弹黏塑性渐近分析,得到了不含间断的连续解,并讨论了Ⅱ型裂纹数值解的性质随各参数的变化规律.分析表明应力和应变均具有幂奇异性,对于Ⅱ型裂纹,裂尖场不含弹性卸载区.引入Airy应力函数,求得了Ⅱ型准静态裂纹尖端场的控制方程,并进行了数值分析,给出了裂纹尖端的应力应变场.当裂纹扩展速度(M→0)趋于零时,动态解趋于准静态解,表明准静态解是动态解的特殊形式.     

某抽水蓄能电站地下洞室围岩岩体质量特征分析

考虑材料的黏性效应建立了II型动态扩展裂纹尖端的力学模型,假设黏性 系数与塑性等效应变率的幂次成反比,通过分析使尖端场的弹、黏、塑性得到合理匹配,并 给出边界条件作为扩展裂纹定解的补充条件,对理想塑性材料中平面应变扩展裂纹尖端场进 行了弹黏塑性渐近分析,得到了不含间断的连续解,并讨论了II型裂纹数值解的性质随各参 数的变化规律. 分析表明应力和应变均具有幂奇异性,对于II型裂纹,裂尖场不含弹性卸载 区. 引入Airy应力函数,求得了II型准静态裂纹尖端场的控制方程,并进行了数值分析, 给出了裂纹尖端的应力应变场. 当裂纹扩展速度($M\to 0$)趋于零时,动态解趋 于准静态解,表明准静态解是动态解的特殊形式.     

I型定常扩展裂纹尖端的弹黏塑性场

考虑材料在扩展裂纹尖端的黏性效应，假设黏性系数与塑性应变率的幂次成反比，对幂硬化材料中平面应变扩展裂纹尖端场进行了弹黏塑性渐近分析，得到了不含间断的连续解，并讨论了I型裂纹数值解的性质随各参数的变化规律. 分析表明应力和应变均具有幂奇异性，并且只有在线性硬化时，尖端场的弹、黏、塑性才可以合理匹配. 对于I型裂纹，裂尖场不含弹性卸载区. 当裂纹扩展速度趋于零时，动态解趋于准静态解，表明准静态解是动态解的特殊形式；如果进一步考虑硬化系数为零的极限情况，便可退化为Hui和Riedel的非线性黏弹性解.     

压-剪混合型定常扩展裂纹尖端的弹黏塑性场

假定黏性系数与塑性等效应变率的幂次成反比，考虑其黏性和裂纹面摩擦接触效应 建立了压-剪混合型定常扩展裂纹尖端弹黏塑性场的渐近方程，求得了裂纹尖端场不含应力、应变间 断的数值解. 并讨论了压-剪混合型裂纹数值解随各个参数的变化规律，计算结果 和分析表明，压-剪混合型裂纹尖端场是满塑性的，不含有弹性卸载区，黏性效应是研究扩展裂纹尖端场时的一个重要因素. 无论混合裂纹趋近I型还是趋近II型，静水压力随摩擦系数的增加都是增加的,裂纹面摩擦 效应是阻止裂纹扩展速度的因素，且摩擦作用越强，裂纹尖端场的韧性越高.     

基于态型近场动力学的淬火陶瓷破坏过程分析

基于态型近场动力学理论进行复合陶瓷板淬火破坏过程力学建模与分析。引入热膨胀项反映材料的热致变形,基于物质点对的断裂定义损伤,构建三维非局部常规态型近场动力学热弹脆性模型,结合多速率显式积分法计算热-力耦合,实现热冲击荷载作用下陶瓷板起裂和裂纹扩展全过程的模拟。通过模拟典型淬火Al₂O₃陶瓷板的破坏过程,并与实验和其他数值结果对比,验证了该模型和方法。使用该模型研究了含不同α-Al₂O₃纤维掺杂比率的Al₂O₃复合陶瓷板淬火破坏过程,结果表明,断裂韧性的提高显著减少了裂纹数量并延后起裂时间;含5%α-Al₂O₃纤维掺杂比率的复合陶瓷材料综合力学性能最优,能够有效提升构件抵抗热冲击荷载能力。     

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。     

动载作用下复合型裂纹扩展的近场动力学模拟

构建改进的非局部近场动力学模型和粒子系统动力加载算法,开展复合型裂纹动力扩展过程模拟。在常规近场动力学微极模型中引入能反映非局部长程力尺寸效应的核函数修正项,以提高计算精度和收敛稳定性。通过模拟动载作用下含复合型裂纹混凝土三点弯梁的裂纹扩展与破坏过程并与试验结果对比,验证了本文模型和算法的可靠性。在此基础上,通过分组模拟分析了动载作用下,初始裂纹的位置、长度和方向对含复合型裂纹三点弯梁破坏模式、起裂时间与承载能力的影响规律。     

数字图像相关测试技术在霍普金森杆加载实验中的应用

本文利用三维数字图像相关(3D-DIC)测试技术,在Hopkinson bar加载条件下测试铝合金动态拉伸力学性能以及TC4合金Ⅱ型裂纹的起裂时间和冲击载荷下的失稳扩展速度。两台高速相机保证了被测物体的三维成像,校准板技术使得所测试的应变-时间历程定量化。利用数据处理软件能够得到关注区内每一点的位移-时间历程、应变-时间历程及主应变等。同时,针对TC4材料的动态断裂过程,三维数字图像相关技术能够实时地记录预制疲劳裂纹的张开、裂纹尖端起裂、裂纹分叉扩展、失稳传播等各个阶段,为动态断裂韧性的确定提供了有力工具。     

含预制单裂隙石膏裂纹孕育与能量演化的应变率效应研究

基于高速相机和MTS万能试验机对含预制裂纹石膏样品进行了单轴压缩应变率效应试验研究,在应变率10~(-5)/s～10~(-3)/s之间选取6种应变率进行单轴压缩试验,对应力应变曲线、裂纹扩展路径、起裂应力、起裂角、弹性模量、峰值强度等与裂纹扩展相关的信息进行了应变率效应分析,并基于岩石材料破坏能量演化原理对其进行解释。试验表明:应变率在10~(-5)/s～2×10~(-4)/s范围时,石膏样品应力应变曲线台阶式上升或回落,波动较多,翼型裂纹发展充分,起裂应力、弹性模量、峰值强度等相差不大,裂纹起裂角82°左右,验证了最小应变能密度因子理论;应变率在5×10~(-4)/s、 10~(-3)/s时,石膏样品应力应变曲线峰前斜率较大,峰后跌落快,表现出岩石类材料典型的脆性特征,起裂应力、弹性模量、峰值强度等力学参数明显增大,起裂角为105°,此时应变能密度因子理论不再适用。     

蠕变硬化材料中Ⅱ型扩展裂纹尖端场特性研究

采用弹牯塑性力学模型,对蠕变硬化材料中平面应变扩展裂纹尖端场进行了渐近分析.假设人工粘性系数与等效塑性应变率的幂次成反比,通过量级匹配表明应力和应变均具有幂奇异性,奇异性指数由粘性系数中等效塑性应变率的幂指数唯一确定.通过数值计算讨论了Ⅱ型准静态扩展裂纹尖端场的分区构造以及裂纹尖端应力和应变场的特性随各材料参数的变化规律,结果表明裂尖场由材料的粘性和塑性共同主导.当硬化系数为零时裂尖场可退化为相应的HR场.     

致密砂岩巷道模型试件动态起裂及止裂全过程分析

为了开展在不同冲击载荷作用下巷道围岩内裂纹的起裂、扩展及止裂等问题，以可调速冲击试验机进行动态加载试验，采用致密青砂岩制作裂纹巷道模型试件，并利用裂纹扩展计分别记录了动态起裂、扩展、止裂等时刻，对裂纹扩展速度的变化规律进行分析；随后采用AUTODYN有限差分法软件进行相应的数值模拟，数值模拟得到的裂纹扩展路径与试验结果基本一致。经过两者对比分析可知:随着冲击载荷作用的增加，裂纹平均扩展速度逐渐增大，随后趋于稳定值；预制裂纹的起裂时间随着冲击速度载荷的增加而逐渐降低，并在稳定值上下波动；随着冲击速度载荷的增加，裂纹扩展路径过程中的止裂时段逐渐变短。     

采用压缩单裂纹圆孔板确定岩石动态起裂、扩展和止裂韧度

爆炸、冲击、地震等人为或自然灾害不可避免,经常造成大量土木工程设施的破坏,因此岩石在动态载荷作用下的行为受到特别关注.岩石动态断裂韧度是评价岩石抵抗裂纹动态起裂、扩展和止裂性能的材料参数,开展岩石动态断裂韧度测试方法的研究对相关理论基础和实验技术的要求较高.岩石动态断裂韧度分为动态起裂、动态扩展、动态止裂三种,虽然关于动态起裂和动态扩展的研究已有一些成果,对岩石动态止裂的研究仍是一个难题,至今几乎无人问津.研究表明,在分离式霍普金森压杆撞击压缩单裂纹圆孔板岩石试样的I型动态断裂试验中,动态起裂、扩展、止裂的全过程可以由黏贴在压缩单裂纹圆孔板试样上的裂纹扩展计监测,岩石的动态起裂、扩展、止裂韧度可以用实验-数值-解析法确定.特别值得一提的是首次测出了岩石的动态止裂韧度.裂纹扩展计信号还显示,压缩单裂纹圆孔板在止裂后,停止的裂纹还会再次动态起裂、扩展并超出裂纹扩展计的检测范围.从能量的角度分析了动态止裂的过程,指出测试动态止裂韧度时要注意的一些问题.结果显示,岩石动态起裂韧度和动态扩展韧度分别随动态加载率和裂纹扩展速度的增大而增大,岩石动态起裂韧度略大于动态止裂韧度.      

加载角度对层理页岩裂纹扩展影响的实验研究

采用分离式霍普金森压杆（SHPB）系统对页岩进行冲击实验,研究层理角度对页岩动态断裂过程的影响,在裂尖设置裂纹扩展计,借助高速摄影和数字图像相关（DIC）技术对页岩中心切槽半圆盘弯曲（NSCB）试件断裂的全过程进行研究,得到了不同加载角度下页岩的动态起裂韧度、裂纹扩展速度、断裂过程中应变场和水平位移场的变化规律。实验发现:不同加载角度下,页岩的动态起裂韧度具有显著的各向异性,加载角度与动态起裂韧度呈正相关;加载角度对试样的裂纹扩展速度具有显著影响,与裂纹扩展速度呈负相关;当冲击速度较低时,切槽方向是裂纹扩展的优势方向,而当冲击速度较高时,试样会产生沿层理弱面的次生裂纹,次生裂纹对试样的断裂具有显著影响。     

粘弹塑性材料动态裂纹尖端场

本文采用一种弹性/粘塑性模型,对扩展裂纹尖端应力应变场进行了渐近分析。文中假定,弹性阶段的粘性效应可以略去,仅在塑性应变中粘性才起作用。对这种模型,文中导出了一种率敏感型的本构关系。并进一步导出了裂纹尖端应力应变场的动力学方程。通过量级分析,给出了尖端场的应力应变奇异性指数。并且讨论了弹性,塑性及粘性三者的匹配条件。对Ⅲ型裂纹进行了具体的分析计算。对各个不同参数的选取进行了详细的分析,讨论了解的性质随各参数的变化规律。     

斜冲击界面动力学研究

讨论了界面受到斜冲击时的动力学问题。有效冲击摩擦系数被处理成冲击过程及初始冲击角的函数 ;界面的法向响应描述计及弹性接触、弹性变形极限以及依赖于应变、应变率及温度的完全塑性接触 ;界面在冲击过程中的构形变化也予考虑 ,并采用平均应变、应变率及最大温升的概念与估算。这种新的斜冲击界面动力学模型用于数值模拟刚性球对于延性靶的斜冲击实验 ,计算与实验比较 ,结果是令人满意的。     

长杆弹对钛合金靶的冲塞实验研究

对长杆钢弹撞击钛合金靶的绝热剪切冲塞进行了实验研究。观测了初始弹速、弹长和靶厚对于绝热剪切冲塞、靶板塑性弯曲动态响应、弹头局部塑性变形和穿靶后弹体（塞子）剩余速度等的影响。将实验结果与基干热粘塑性双参量失稳理论的绝热剪切冲塞过程的二维数值模拟预示结果进行了比较，两者令人满意地符合，表明在绝热剪切冲塞过程研究中考虑应变率和应变相关的绝热剪切破坏准则以及弹靶耦合效应的重要性。     

低速冲击下混凝土少筋梁断裂性能

动态加载下,混凝土中钢筋的阻裂性能一直是冲击动力学研究领域的难点之一。利用落锤试验机对含缺口的混凝土少筋梁进行三点弯曲试验,分析了不同加载速率下梁的冲击力、跨中挠度、混凝土起裂应变率和钢筋应变。实验结果表明:在一定加载速率范围内（0.885～1.252 m/s）,混凝土预制裂缝尖端的裂纹起裂应变率、冲击力最大值、跨中挠度峰值与加载速率呈线性增长关系,当加载速率增至1.771 m/s时,增长趋势减弱;冲击力卸载时,钢筋部分弹性变形恢复导致裂纹产生闭合,裂纹嘴张开位移逐渐减小至恒定值,对裂纹嘴张开位移峰值前的部分曲线进行拟合后得到裂纹嘴张开位移率,结果表明裂纹嘴张开位移率随加载速率的提高而线性增大。     

靶板在弹丸低速冲击作用下的弹性恢复规律

为了对不同靶板被尖头弹丸低速侵彻条件下的弹性恢复机理进行研究,同时考虑弹丸低速冲击靶板过程中靶板整体塑性变形及弹性变形恢复,更好地反映弹丸对靶板低速侵彻过程中的变形及材料失效问题,使用非线性动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA计算分析了弹丸以相同速度冲击不同边长、厚度靶板时,弹丸反弹速度以及靶板回弹速度随着靶板厚度...     

基于常规态型近场动力学的热力耦合变形破坏分析

基于常规态型近场动力学(Peridynamics, PD)理论,考虑物质点之间的非局部热传导,采用拉格朗日坐标系下的欧拉-拉格朗日方程,推导出常规态型近场动力学热传导方程;结合热力学第一定律和自由能函数建立了常规态型近场动力学热力耦合方程。模拟了含单孔单裂纹和多孔多裂纹板的热传导问题以及典型混凝土构件的热致变形和热力耦合破坏问题,并根据模拟出的温度分布及裂纹扩展情况,验证了本文模型和方法的有效性。基于提出的模型进一步分析了含初始裂缝混凝土三点弯梁的破坏过程及温度梯度和初始裂缝位置对其的影响。将提出的PD热力耦合模型运用于混凝土材料,使PD理论与工程应用相结合。