基于M积分的脆性材料微缺陷等效损伤面积/体积表征

随着脆性材料在工程中的广泛应用,对脆性材料中微缺陷进行统一的损伤水平标定,具有重要的科学研究和工程应用价值. 本研究提出一种基于M积分的材料等效损伤面积/体积标定方法, 以具有相同M积分值的圆孔面积或球孔体积来标定 复杂微缺陷构型的损伤水平,从而实现不同类型微缺陷真实损伤水平的统一表征. 首先,基于Lagrangian能量密度函数推导 了M积分定义式,并简述了M积分的物理意义,基于域积分方法实现二维/三维M积分的数值计算. 随后,提出了基 于M积分的材料缺陷等效损伤面积/体积标定方法,以圆孔面积/球孔体积来标定复杂微缺陷材料系统的损伤水平. 最后, 针对单轴拉伸载荷作用下的二维/三维脆性体含不同缺陷构型,具体计算了椭圆孔、裂纹以及双裂纹、双孔洞、裂纹和孔洞干 涉等复杂缺陷构型情况下的等效损伤面积/体积,并详细分析了缺陷之间的干涉效应及影响因素. 本研究旨在基于M积分等 效方法量化脆性材料中各类微缺陷造成的损伤程度,实现损伤等级标定,有益于工程材料及结构的损伤容限设计及完整性评估.      

损伤体有效弹性性质的细观分析和不变性描述—— 一个考虑微缺陷相互作用的一般理论模式

通过引进微缺陷相互作用张量，建立了一个二维情况下考虑微缺陷（微裂纹或微孔洞）间相互作用的损伤固体有效弹性性质的一般理论模式模型中考虑了微缺陷的几何形状、取向分布和空间分布所造成的有效柔度张量的各向异性和材料中微缺陷之间的相互作用所引起的损伤柔度张量的高阶效应针对微椭圆孔、微圆孔和微裂纹问题，求得了相互作用张量的解析形式     

损伤体有效弹性性质的细观分析和不变性描述—— 一个考虑微缺陷相互作用的一般理论模式

通过引进微缺陷相互作用张量，建立了一个二维情况下考虑微缺陷（微裂纹或微孔洞）间相互作用的损伤固体有效弹性性质的一般理论模式模型中考虑了微缺陷的几何形状、取向分布和空间分布所造成的有效柔度张量的各向异性和材料中微缺陷之间的相互作用所引起的损伤柔度张量的高阶效应针对微椭圆孔、微圆孔和微裂纹问题，求得了相互作用张量的解析形式     

CRACK INTERACTING WITH AN INDIVIDUAL INCLUSION BY THE FRACTURE CRITERION OF CONFIGURATIONAL FORCE

基于构型力概念提出一种可判断裂纹起裂以及裂纹扩展方向的新断裂准则.该准则假设当构型合力值达到一个临界值时裂纹开始扩展,而裂纹扩展的方向则为构型合力的矢量方向.基于此断裂准则,本文开发构型力的有限元计算方法,实现对裂纹扩展的数值模拟,并着重对工程中常见的含孔洞/夹杂结构的裂纹扩展问题展开研究.研究结果表明,基于构型力的裂纹扩展准则可以很好地预测裂纹与孔/夹杂的干涉作用,其数值模拟结果与实验结果相符,从而验证了该裂纹扩展模拟方法的有效性.通过对裂纹和夹杂（圆孔、软夹杂、硬夹杂）干涉问题的数值模拟表明,裂纹前端夹杂对裂纹的扩展具有重要影响.裂纹的扩展方向与裂纹和夹杂的相对位置、以及夹杂类型密切相关.软夹杂和圆孔会吸引裂纹向其扩展,而硬夹杂会排斥裂纹扩展,裂纹在扩展过程中会绕开硬夹杂.当裂纹与夹杂夹角较小时,夹杂对裂纹扩展的影响作用明显,当夹角较大时,夹杂对裂纹扩展的影响较小;特别当裂纹与夹杂夹角为45°时,软夹杂和圆孔可能会抑制裂纹的扩展,使裂纹扩展发生止裂.研究结果有助于认清含孔洞/夹杂结构中的裂纹扩展或止裂问题,对于工程中的断裂问题具有重要指导意义.     

基于构型力断裂准则的裂纹与夹杂干涉问题

基于构型力概念提出一种可判断裂纹起裂以及裂纹扩展方向的新断裂准则.该准则假设当构型合力值达到一个临界值时裂纹开始扩展,而裂纹扩展的方向则为构型合力的矢量方向.基于此断裂准则,本文开发构型力的有限元计算方法,实现对裂纹扩展的数值模拟,并着重对工程中常见的含孔洞/夹杂结构的裂纹扩展问题展开研究.研究结果表明,基于构型力的裂纹扩展准则可以很好地预测裂纹与孔/夹杂的干涉作用,其数值模拟结果与实验结果相符,从而验证了该裂纹扩展模拟方法的有效性.通过对裂纹和夹杂(圆孔、软夹杂、硬夹杂)干涉问题的数值模拟表明,裂纹前端夹杂对裂纹的扩展具有重要影响.裂纹的扩展方向与裂纹和夹杂的相对位置、以及夹杂类型密切相关.软夹杂和圆孔会吸引裂纹向其扩展,而硬夹杂会排斥裂纹扩展,裂纹在扩展过程中会绕开硬夹杂.当裂纹与夹杂夹角较小时,夹杂对裂纹扩展的影响作用明显,当夹角较大时,夹杂对裂纹扩展的影响较小;特别当裂纹与夹杂夹角为45?时,软夹杂和圆孔可能会抑制裂纹的扩展,使裂纹扩展发生止裂.研究结果有助于认清含孔洞/夹杂结构中的裂纹扩展或止裂问题,对于工程中的断裂问题具有重要指导意义.     

M积分与夹杂/缺陷弹性模量的显式关系

M积分在材料构型力学中表征着缺陷自相似扩展的能量释放率,而有效弹性模量下降量在传统损伤力学中是一个具有内变量属性的损伤参数. 探讨了两者之间的特定关系,以此为材料构型力学与损伤力学搭建桥梁.借助穆斯海里什维利（Muskhelishvili）复势函数方法获取无限大弹性平面含圆形夹杂的弹性场解,根据M 积分的复势函数解析表达式得到M 积分与夹杂弹性模量的显式表达式. 随后通过有限元分析,对含复杂缺陷群的弹塑性材料进行数值模拟,结果表明内部缺陷区域的有效弹性模量下降与M 积分存在着特定关系. 基于此,提出利用材料构型力学中的外变量参数（M 积分）来替代损伤力学中的内变量参数（弹性模量下降量）描述材料的缺陷演化.      

M积分与夹杂/缺陷弹性模量的显式关系简

M积分在材料构型力学中表征着缺陷自相似扩展的能量释放率,而有效弹性模量下降量在传统损伤力学中是一个具有内变量属性的损伤参数. 探讨了两者之间的特定关系,以此为材料构型力学与损伤力学搭建桥梁.借助穆斯海里什维利（Muskhelishvili）复势函数方法获取无限大弹性平面含圆形夹杂的弹性场解,根据M 积分的复势函数解析表达式得到M 积分与夹杂弹性模量的显式表达式. 随后通过有限元分析,对含复杂缺陷群的弹塑性材料进行数值模拟,结果表明内部缺陷区域的有效弹性模量下降与M 积分存在着特定关系. 基于此,提出利用材料构型力学中的外变量参数（M 积分）来替代损伤力学中的内变量参数（弹性模量下降量）描述材料的缺陷演化.     

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.      

粉末冶金材料各向异性连续型损伤模型研究

在采用微裂纹扩展区描述脆性材料损伤状态的基础上,通过引入颗粒度大小和微裂纹概率分布密度函数来研究粉末冶金材料特征体积单元的损伤演化.同时结合Hill自洽模型采用空间混合平均的方法,可考虑粉末冶金材料的微结构特征及微裂纹间相互作用的影响,可描述粉末冶金类材料的各向异性连续型损伤.     

准脆性材料损伤破坏的细宏观联结分析

准脆性材料在外力作用下不仅产生应力与变形,而且还会内部缺陷或微裂纹随着变化和出现宏观裂缝扩展.根据材料的微细观测,通过固体力学原理建立模型分析其微裂纹与宏观裂缝之间的关联.材料中宏观裂缝端部通常存在损伤区,且在该区内存在许多相对微小缺陷或微裂纹,从而使得材料局部变形增加而力量减弱.若把该损伤带视为裂缝一部分,那么在该虚拟裂缝两岸上将存在分布黏聚力;虚拟裂缝两岸的相对位移将是微裂纹区变形及扩展的综合体现.为此,对包含有细观裂纹的代表性体积单元进行力学计算,然后将其嵌入到宏观裂缝端部损伤带的变形计算中,以探寻固体失效的细观与宏观尺度力学分析的联结,并与实测数据相对比.     

考虑微裂纹相互作用的的岩石微观力学弹塑性损伤模型研究

本文建立基于微裂纹扩展的岩石弹塑性损伤微观力学模型。用自洽方法考虑裂隙间相互影响,压缩载荷下微裂纹尖端翼裂纹稳定扩展表征岩石的微观损伤,基于应变能密度准则用Newton迭代法求复合型断裂的翼裂纹扩展长度,并采用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,反映塑性内变量对硬化函数的影响;建立岩石的弹塑性损伤本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制了弹塑性损伤模型的程序。从围压和微裂隙长度等因素分析弹塑性损伤模型的岩石的损伤和宏观塑性特性。     

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.     

准脆性材料断裂过程区中的圆饼微裂纹损伤计算

准脆性工程材料及结构在外力作用下，不仅引起内部缺陷变化和微裂纹的出现及发展，且使得其结构承载能力降低或性能劣化．在其材料失效过程中常存在裂缝与断裂损伤过程区．为研究材料细观缺陷或微裂纹与宏观破坏的规律，通过细观力学方法，对于代表性体积单元RVE中的圆饼型微裂纹的尺寸与密度变化，探讨其宏观断裂过程区力学参量与损伤之间的量化关系．借助宏观断裂过程区的黏聚裂纹模型，将损伤单元RVE嵌入到宏观裂缝端部的断裂过程区中，对其进行联接细观损伤到宏观破坏的力学多尺度研究．文中也通过实验数据，对其理论计算结果进行了算例的讨论与分析．     

基于一类非局部宏-微观损伤模型的混凝土典型试件力学行为模拟

混凝土是一类典型的准脆性材料, 其受力过程中的非线性分析与裂纹模拟依然是具有挑战性的问题. 经典的断裂力学与损伤力学分别从间断与连续的视角对裂纹拓扑进行了描述, 是早期人们研究固体破坏问题的有力工具. 21世纪以来, 相场理论和近场动力学在预测裂纹的萌生、扩展与非线性分析方面取得了重要的进展. 最近, 结合统一相场理论与近场动力学的基本思想, 发展了一类非局部宏-微观损伤模型. 该模型引入物质点偶的概念来刻画由于变形引起的微细观损伤, 对微细观损伤在作用域中进行加权平均得到定量描述物质不连续程度的拓扑损伤. 通过具有物理机制的能量退化函数, 将拓扑损伤嵌入到连续介质-损伤力学的框架中, 这使得该模型在进行非线性分析的同时可以自然地进行裂纹模拟, 而毋须预设初始裂纹与裂纹扩展路径. 本文考虑细观物理参数的空间变异性, 采用非局部宏-微观损伤模型进行混凝土试件受力全过程的精细化模拟. 通过一维建模标定模型细观参数, 并探讨了细观参数与混凝土材料细观物理-几何特性之间的内在关联, 在此基础上采用二维模型进行精细化分析. 进而, 考察了材料参数空间变异性对混凝土单轴受拉试件和带缺口三点弯曲试件力学行为的重要影响. 本文的研究工作为非局部宏-微观损伤模型细观参数的试验标定与复杂应力状态下混凝土等准脆性材料的非线性力学行为研究提供了有意义的参考.      

一种微裂纹型拉伸损伤模型在混凝土材料中的应用

将包含众多不同规则微裂纹的混凝土材料视为等效微裂纹系统,结合细观微裂纹动力律与波动理论,确定了裂纹演化与应力波传播的内在关系;根据有核长大思想和能量耗散理论,建立了一种便于工程应用的混凝土类准脆性材料拉伸损伤演化方程,并由混凝土单轴拉伸实验确定了相关材料参数;进行了混凝土平板撞击和内爆炸所引起的波传播和层裂问题的数值计算。结果表明:混凝土靶板的自由面速度时程曲线呈现明显周期性震荡,震荡周期与应力波在裂片中往返一次的时间基本相同;混凝土靶板损伤空间分布和损伤云纹图与已有实验结果一致,验证了本文所建立的微裂纹型拉伸损伤模型的科学实用性。     

非线性断裂模式下冻土复合型破坏的数值计算

冻土是多相复合材料,其内部含有很多孔洞,裂隙等缺隙,它的断裂破坏过程像岩石及混凝土等准脆性材料一样具有明显的非线性特征.本文提出了一种胶结力裂纹模型来模拟冻土的断裂破坏过程.这种模型基于在裂纹尖端插入非线性界面元来模拟微裂纹区的胶结力(使裂纹闭合的力),裂纹扩展判据采用最大应变能释放率准则,同时编制程序对冻土Ⅰ-Ⅱ复合...     

格栅结构力学性能研究进展

格栅复合材料是一种新型轻质高强材料. 综述了格栅复合材料的周期构型特征和格栅结构的制备工艺. 归纳了二维周期格栅材料的等效刚度矩阵计算方法, 比较了不同构型格栅的基本力学性能, 介绍了胞元材料的微极弹性理论和格栅的强度与屈服面计算方法. 探讨了格栅的缺陷及其力学响应, 包括格栅的尺度效应、夹杂缺陷以及裂纹扩展特征, 介绍了波在格栅材料中传播机理的最新研究成果. 根据格栅材料在工程中的应用形式, 分类介绍了格栅板壳结构、格栅加筋板壳结构和格栅夹层结构的结构特点和破坏方式、设计优化准则和实验研究成果. 还归纳了作者所在研究小组近期在碳纤维格栅复合材料的制备、实验研究和理论分析等方面的最新工作进展.      

关于表征微裂纹型损伤的损伤变量的提出

本文分析了损伤变量的传统定义及其测量方法存在的问题，提出了以受损材料单位体积中所有微裂纹在某面上的投影面积的和作为表征材料在该面法向由这些微裂纹导致的损伤状态的损伤变量。     

压电材料中的微裂纹屏蔽问题分析

分析当主裂纹与一个微裂纹在远场I型力（KI）和远场电位移（Ke)作用下的相互干涉问题,得出了在微裂纹的位置角和方向角周时独立变化时,微裂纹对主裂纹的屏蔽作用的全局使命主裂纹扩展,通过电算还发现Ortiz在各向同性材料和各向异性材料中得出的“微裂纹群对主裂纹最大屏蔽效应产生在微裂纹方向与最大主应力垂直的方向”在压电材料中不再成立,进而提出除Hutchinson指出微裂纹屏蔽效应两个来源（即：材料有效刚度的降低和残余应力的释放）外的另一个来源,微裂纹对主裂砂电场的扰动,在对主微裂纹J积分分析时发现J2积分与J1积分具有同等重要的地位。     

冲击荷载作用下混凝土材料的细观本构模型

将混凝土材料看成是水泥砂浆基体和粗骨料颗粒组成的2相复合材料,假设水泥砂浆基体和粗骨料颗粒均为弹性、均匀、各向同性的,粗骨料颗粒为球形。基于Mori-Tanaka理论和Eshelby 等效夹杂理论推出了混凝土材料弹性模量的计算公式。在Horii和Nemat-Nasser提出的脆性材料在双轴向压应力作用下破坏的滑移裂纹模型基础上,运用细观力学方法推导了微裂纹对材料弹性模量的弱化作用以及微裂纹的损伤演化方程。建立了混凝土材料在冲击荷载作用下的一维动态本构模型,模拟曲线与实验曲线符合良好,因而可以用该模型模拟混凝土材料在冲击荷载下的动态特性。