含冲击损伤复合材料层压板压缩破坏机制的声发射特性研究

复合材料层压板在压缩破坏过程中包含了丰富的声发射信息.为了研究含冲击损伤的复合材料层压板的压缩破坏机制,采用声发射观察层压板的压缩破坏过程,通过分析声发射信号的特征规律,表征了在压缩载荷下材料损伤的形式及其演化过程.结果表明:通过对声发射参数(撞击计数、能量、幅值、事件位置)和载荷曲线进行综合分析,发现损伤的发展过程经过了初始阶段、平稳扩展期和断裂阶段,冲击造成的分层区域最先出现屈曲并最早破坏；在损伤初始阶段和平稳扩展期间,损伤是一种渐进式的增长,层压板具有一定的承载能力；在断裂阶段损伤快速扩展,层压板的承载能力迅速下降,在出现纤维密集断裂的现象后整体破坏.     

基于显微CT图像的近场动力学建模与复合材料微结构破坏模拟

随着纤维增强复合材料应用领域的不断扩展且用量激增,亟需理清复合材料微观结构损伤对宏观力学性能影响的内在机制。因此,发展针对纤维增强复合材料微结构破坏过程的建模与高效模拟方法就显得十分重要。本文借助显微CT(Micro-computed Tomography)扫描技术,提出了一种基于显微CT图像中像素点离散的近场动力学建模与模拟方法。一方面,近场动力学作为一种由积分方程建模的非局部理论,便于采用基于空间点离散的数值计算方法,相比传统的连续介质力学能够更有效地模拟材料从连续变形到裂纹萌生与扩展(非连续变形)的全过程。另一方面,对显微CT图像使用像素点灰度阈值分割处理技术,能够快速建立含有复合材料原位微结构信息的空间点离散模型。该离散模型可以直接用于微结构破坏过程的近场动力学模拟,从而避免了传统的数值模拟技术需要依据像素点先建立光滑的几何模型、再划分成有限单元网格的复杂前处理过程,并且极大地保留了复合材料的原位组分分布信息。数值模拟结果表明,基于显微CT图像的近场动力学建模方法能够精确捕捉到复合材料微结构信息,并能准确模拟纤维增强复合材料的微结构破坏过程。     

层合板冲击损伤的PD率效应本构模型分析

从近场动力学(简称PD)理论的PMB材料模型出发,结合Kelvin-Voigt粘弹性固体模型,建立PD率效应本构模型。采用LAMMPS软件模拟了环氧树脂板、纤维增强复合材料单向层板和多向铺层层合板受冲击的情况。通过分析各板的冲击损伤,探索纤维对板的增强作用。同时,分析了不同冲击速度下层合板上下表面的损伤程度,初步探讨了从低速碰撞到高速冲击过程中复合材料层合板的破坏机理及规律。     

基于近场动力学的功能梯度材料动态断裂分析

近场动力学(Peridynamics)是一种基于非局部理论的数值计算方法,通过域内积分建立物质基本运动方程。本文根据功能梯度材料的特点提出了一种基于近场动力学理论的动态断裂分析方法,模拟了在冲击载荷作用下功能梯度材料的动态响应,并分析了微模量函数对裂纹扩展行为的影响。通过与已有实验结果的对比发现,近场动力学模型所得裂纹扩展路径及破坏时间均与实验结果吻合较好,从而证明近场动力学方法能够用于分析功能梯度材料的动态断裂行为。     

基于近场动力学理论的单层板损伤分析方法

基于键基近场动力学理论(PD)构建复合材料的单层板模型,在本构方程中引入连续变化的键刚度,以表示复合材料中与纤维夹角相关的力学性能的变化。推导了与复合材料主方向热膨胀系数相关的任意方向的热膨胀系数,为热载荷的施加提供理论支持,将热载荷和力学载荷统一于本构方程中。最后,对预先存在裂纹的单层板进行裂纹扩展模式的仿真,得到预期的仿真结果,并与已有实验结果对比验证模型的有效性。     

基于Cosserat近场动力学的纤维混凝土破坏模拟

本文基于Cosserat近场动力学发展了一种纤维混凝土的近场动力学模型,对纤维混凝土的破坏现象进行研究。该模型考察了物质点独立的转动自由度和物质点间的力偶作用,而且有表征微结构尺寸的内禀长度,相比于传统的近场动力学模型,更适合描述纤维混凝土这类胶结颗粒材料的力学行为。本文采用完全离散的方式对纤维进行建模,引入了纤维拔出实验中拔出位移和切应力的关系,并且采用组构张量描述纤维的局部分布。数值算例部分模拟了单纤维拔出实验、带预制裂纹的平板拉伸实验和三点弯曲梁实验。数值结果和已有的数值模型以及实验进行了对比,验证了所提出模型的正确性。此外,本文还调查了微结构对纤维混凝土破坏的影响,数值结果显示Cosserat剪切模量和内禀长度会影响裂纹的局部分布,但是不会改变裂纹的主方向。     

基于近场动力学理论的单层板损伤分析方法

基于键基近场动力学理论（PD）构建复合材料的单层板模型，在本构方程中引入连续变化的键刚度，以表示复合材料中与纤维夹角相关的力学性能的变化。推导了与复合材料主方向热膨胀系数相关的任意方向的热膨胀系数，为热载荷的施加提供理论支持，将热载荷和力学载荷统一于本构方程中。最后，对预先存在裂纹的单层板进行裂纹扩展模式的仿真，得到预期的仿真结果，并与已有实验结果对比验证模型的有效性。     

高温环境下纤维复合材料蠕变损伤的细观机理研究

首先利用复合材料纤维断裂单胞模型，编制蠕变损伤子程序，对单胞模型进行蠕变损伤分析。分析了纤维／基体弹性模量比对蠕变变形、蠕变损伤以及应力场的影响。从计算结果发现，蠕变损伤首先在纤维断裂尖端起始，然后沿着一定的角度向基体外围延伸，直至完全损伤，而且纤维／基体模量比对高温环境下的复合材料蠕变损伤产生很大的影响；纤维与基体的模量相差越大，复合材料越容易变形，抵抗蠕变变形的能力就越小，蠕变损伤越严重。经过对不同韧性的基体材料进行研究，发现基体韧性低的复合材料蠕变损伤明显高于高韧性基体复合材料，表明低韧性基体复合材料抵抗蠕变破坏的能力较低。     

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。     

纤维增强复合材料界面的力学行为

研究材料的界面和表面的力学行为与破坏机理,是当代材料科学、力学、物理学的前沿课题之一,而复合材料界面问题更有其自身的特殊性和复杂性。本文结合笔者的研究工作重点讨论了纤维复合材料界面力学的共性问题,阐述了复合材料界面的性质、复合材料界面的力学模型和理论、界面力学表征的实验研究、界面损伤破坏机理、界面对复合材料力学性能的影响等5个方面。     

冲击波-破片群联合作用下舰船复合材料结构近场动力学损伤模拟

采用一种新兴的无网格法——近场动力学理论,模拟复合材料结构在冲击波-破片群联合作用下的损伤情况。根据复合材料结构承受的载荷特性,分析冲击波-破片群联合作用下层合板及加筋板结构的损伤模式,考虑载荷作用次序等因素对于联合作用毁伤能力的影响规律。结果表明:联合作用对复合材料结构的损伤程度主要与冲击波强度、破片群侵彻能力、作用次序有关,主要损伤模式为分层失效、基体损伤、剪切损伤以及结构大变形;对于层合板而言,在冲击波先作用的工况下,结构损伤程度更高,损伤范围更大;对于加筋板而言,由于加筋板的筋条能显著降低冲击波作用,进而降低冲击波对破片群侵彻能力的增强效应,最终影响联合作用的毁伤能力,因而在破片群先作用的工况下反而损伤更严重。     

破片群作用下复合材料层合板近场动力学损伤模拟

采用一种新兴的无网格法——近场动力学理论,模拟复合材料结构在破片群载荷作用下的损伤情况。根据复合材料结构受到载荷的特性,总结破片群冲击作用下复合材料结构损伤特性,分析其破坏过程,研究破片群增强效应,并对破片速度、破片数量、破片群间距对侵彻能力增强效应的影响进行分析。结果表明:层合板结构在高速破片群侵彻作用下损伤模式多样,与破片数量、速度、间距相关;破片数量的增加,对破片群侵彻能力增强效应明显;破片间距与破片群侵彻能力增强效应负相关,破片间距减小,破片群损伤效应提高;破片速度直接决定穿透时间,破片速度的提高使得穿透时间缩短,应力波的叠加效应不足以影响破片群的侵彻能力。     

Peridynamic modelling of impact damage in three-point bending beam with offset notch

The nonlocal peridynamic theory has been proven to be a promising method for the material failure and damage analyses in solid mechanics.Based upon the integrodifferential equations,peridynamics enables predicting the complex fracture phenomena such as spontaneous crack nucleation and crack branching,curving,and arrest.In this paper,the bond-based peridynamic approach is used to study the impact damage in a beam with an offset notch,which is widely used to investigate the mixed I-II crack propagation in brittle materials.The predictions from the peridynamic analysis agree well with available experimental observations.The numerical results show that the dynamic fracture behaviors of the beam under the impact load,such as crack initiation,curving,and branching,rely on the location of the offset notch and the impact speed of the drop hammer.     

混凝土复合型裂纹扩展的非局部近场动力学建模分析

基于非局部近场动力学理论,构建了修正的能反映混凝土宏观拉压异性和断裂特征的近场动力学本构模型,开发了相应的离散、加载和时间积分算法,实现典型混凝土构件中复合型裂纹扩展过程模拟。在物质点对尺度上定义局部损伤并考虑物质点对的相对转动,通过求解时空微-积分方程实现裂纹的自然萌生与扩展,避免裂尖不连续带来的求解奇异性、网格依赖性和网格重构以及常规近场动力学本构模型的泊松比限制。通过含单边和双边初始裂纹四点剪切混凝土梁裂纹扩展破坏全过程模拟,得到破坏形态、破坏荷载以及完整的荷载-裂纹开口滑移曲线,并与试验和其他数值模拟结果对比,验证了模型的精确性和算法的稳定性。     

Peridynamic modeling of membranes and fibers

The peridynamic theory of continuum mechanics allows damage, fracture, and long-range forces to be treated as natural components of the deformation of a material. In this paper, the peridynamic approach is applied to small thickness two- and one-dimensional structures. For membranes, a constitutive model is described appropriate for rubbery sheets that can form cracks. This model is used to perform numerical simulations of the stretching and dynamic tearing of membranes. A similar approach is applied to one-dimensional string like structures that undergrow stretching, bending, and failure. Long-range forces similar to van der Waals interactions at the nanoscale influence the equilibrium configurations of these structures, how they deform, and possibly self-assembly.     

混凝土梁三点弯曲断裂模式转变的近场动力学模拟

混凝土结构的宏观损伤开裂与其非均质微观结构紧密相关。底部带切口的混凝土梁在进行三点弯曲破坏时,随着切口的位置由梁中向梁边转移,裂纹由从切口处萌生并生长转变为从梁的中部萌生。本文采用半均质化近场动力学（IH-PD）模型和全均质化近场动力学（FH-PD）模型,分别对混凝土梁三点弯断裂问题进行模拟研究。IH-PD模型根据混凝土中骨料体积分数随机生成不同键的组合方式,将微观尺度的非均质性引入模型,无需详细描绘骨料形状和分布即可考虑混凝土非均质性。本文将IH-PD与FH-PD模型得到的断裂模式随切口位置的变化关系,与实验结果对比,分析微观结构对混凝土梁开裂的影响;基于非均质材料特征尺寸与IH-PD模型网格参数的相关性,模拟骨料大小对混凝土梁断裂模式的影响;另外,通过在IH-PD模型中设置预损伤的方式引入随机分布的孔隙,探讨孔隙率对混凝土断裂模式的影响。     

泡沫铝夹层结构抗冲击性能的近场动力学模拟分析

针对某光学舱所采用的泡沫铝夹层防护结构在破片冲击下的抗冲击性能问题，采用Monte-Carlo方法创建了泡沫铝结构的二维细观模型，在常规态型近场动力学理论中引入了Mises屈服准则和线性各向同性强化模型，建立了近场动力学塑性本构的数值计算框架。基于近场动力学计算程序模拟了低速冲击作用下泡沫铝夹层结构的塑性变形以及有机玻璃背板的裂纹扩展形态，分析了泡沫铝芯材孔隙率对该夹层结构抗冲击性能和损伤模式的影响规律。结果表明：泡沫铝夹层结构良好的塑性变形能力是其发挥缓冲与防护作用的主要因素，并且在一定范围内，泡沫铝芯材孔隙率越高，则夹层结构具有更好的抗冲击性能；当泡沫铝孔隙率从0.4提升到0.7时，泡沫铝对冲击物的动能吸收率从90%提高到99%；模拟结果与实验结果具有较好的一致性，验证了模拟结果的准确性和分析结论的有效性。通过数值模拟，预测了有机玻璃背板的裂纹扩展形态，发现提高泡沫铝的孔隙率能获得更好的防护效果。     

Dynamic Brittle Fracture as a Small Horizon Limit of Peridynamics

We consider the nonlocal formulation of continuum mechanics described by peridynamics. We provide a link between peridynamic evolution and brittle fracture evolution for a broad class of peridynamic potentials associated with unstable peridynamic constitutive laws. Distinguished limits of peridynamic evolutions are identified that correspond to vanishing peridynamic horizon. The limit evolution has both bounded linear elastic energy and Griffith surface energy. The limit evolution corresponds to the simultaneous evolution of elastic displacement and fracture. For points in spacetime not on the crack set the displacement field evolves according to the linear elastic wave equation. The wave equation provides the dynamic coupling between elastic waves and the evolving fracture path inside the media. The elastic moduli, wave speed and energy release rate for the evolution are explicitly determined by moments of the peridynamic influence function and the peridynamic potential energy.