一类指数型间断函数的嵌入非连续等参有限元法

在嵌入非连续有限元的基本思想下,提出一类附加位移形函数———指数型间断函数,来模拟由于非连续结构,如裂纹和节理,所导致的位移不连续规律,该附加函数是以到间断处的垂直距离为自变量,且随距离的增大而呈指数衰减的函数.指数型间断函数具有在数学上的便于积分和求导的优点,且比阶梯间断函数更能反映实际破裂后的变形情况.本文用弱解形式推导了嵌入非连续有限元格式,编制了二维4节点和三维8节点的嵌入非连续等参有限元程序,并分别给出了算例.算例表明在模拟裂纹追踪时,指数型间断函数的嵌入非连续等参有限元法可行且有效.     

广义扩展有限元法及其在裂纹扩展分析中的应用

结合广义有限元法(GFEM)和扩展有限元法(XFEM)的特点,提出了一种新的数值方法——广义扩展有限元法(GXFEM)。阐述了广义扩展有限元法的基本原理,对相关公式进行推导,探讨数值实施中需注意的重要问题,给出利用广义扩展有限元法进行断裂分析时应力强度因子的计算方法,编写了广义扩展有限元法程序。通过算例进行了应力强度因子的计算,模拟了结构裂纹的扩展过程。算例结果表明,利用广义扩展有限元法计算裂纹扩展问题,不需要进行过密的网格划分,且网格在裂纹扩展后无需重新剖分,具有相当高的计算精度。     

含两类附加函数的扩展等参有限元法

基于扩展有限元的基本思想,提出一类指数型间断函数来模拟。由于裂纹或节理等非连续结构所导致的位移不连续现象,该附加函数是以到间断处的垂直距离为自变量,且随距离的增大而呈指数衰减,同时,在非连续结构末端引入能反映其奇异场特性的三角基函数。本文用弱解形式推导了扩展有限元格式,并论证了两类附加函数在单元公共边上能够保持位移连续性这一要求。最后,编制了二维4节点和三维8节点的扩展等参有限元程序,并分别给出了算例,结果表明在模拟裂纹追踪时,扩展有限元法可行且有效。     

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.      

Interaction between cracks and effect of microcrack zone on main crack tip

Mechanism interaction between cracks with different orientation angles is analyzed based on the principle of superposition and a flattening method. It is found that the maximum interaction effect does not occur when the microcrack is along the direction parallel or perpendicular to the principal tensile stress, which is different from the conclusion drawn by Ortiz （1987）. The mechanism of microcrack generation and the effect of the microcrack zone on the main crack tip are studied. It is concluded that the microcrack zone has effect on the main crack tip, which increases with the increase of microcrack density and length.     

水泥砂浆界面相弹性常数的反演计算

为了计算水泥砂浆界面过渡区的弹性常数,采用广义自洽方法(GSCM),根据水泥砂浆内部的微细观结构,建立了由水泥浆基体、岩石离散夹杂(骨料)、界面过渡区(ITZ)和有效弹性材料组成的四相复合材料模型.推导了界面相的体积模量和剪切模量方程.利用已知水泥砂浆材料的实验数据,计算了界面相的弹性常数.发现界面相剪切模量约为水泥浆基体剪切模量的50%.     

三维自然单元法插值形函数的导数计算

根据Voronoi胞的几何性质,获得了积分点的二阶Voronoi胞顶点的表达式,并对各邻近结点相关的顶点进行排序以使其生成的二阶Voronoi胞切割面为凸多边形,从而获得各切割凸多边形面域的面积表达式;最后,基于复合函数链式求导法则,获得了三维自然单元法non-Sibson插值形函数导数的显式格式。相比Lasserre算法,该方法具有直观、便于编程且计算量小的特点。悬臂梁的算例结果进一步说明了该方法的可靠性,证实了文献[2,7,8]关于自然单元法具有比有限元中常应变单元更高的精度,理论上和双线性单元的精度同阶的结论。     

裂纹间作用机制探讨及微裂纹区对主裂纹的作用效应研究

采用迭加原理和Kachanov提出的简化方法,研究了裂纹间的相互作用机理,分析了不同裂纹布置形式所产生的增强或屏蔽效应,发现当微裂纹沿着或垂直于最大拉应力方向布置时都不产生最大的作用效应,这有别于Ortiz的结论．还探讨了混凝土类材料的微裂纹的产生机制及微裂纹区对主裂纹尖端产生的作用效应,得出微裂纹区对主裂纹是起增强的作用,增强程度随微裂纹密度和微裂纹长度的增大而增大的结论．     

考虑混凝土材料非均质特性的近场动力学模型

混凝土内部微细观结构影响其损伤和破坏行为.鉴于传统连续介质力学在模拟混凝土损伤累积和渐进破坏过程中存在的问题,基于数值图像技术获得混凝土试件的内部骨料形态,采用键型近场动力学理论,建立了能够考虑混凝土非均质特性的近场动力学模型,并在ABAQUS平台下开发了相应的计算模块,进行了混凝土试样的拉伸和压缩细观破坏分析.结果表明:近场动力学模型和数值方法能够成功模拟混凝土材料的复杂破坏过程,得到的破坏现象与试验结果吻合程度较好,进一步探究了混凝土材料的破坏机制,完善了混凝土结构的破坏分析过程.     

考虑流固耦合效应的重力坝水力劈裂模拟

裂缝的高压水力劈裂是混凝土高坝安全评估的重要部分,研究其过程中的流固耦合作用是准确预测在各种情况下裂纹扩展路径和危险程度的关键.该文利用扩展有限元法在模拟裂纹扩展方面的优势,对大坝的裂纹进行水力劈裂模拟研究.裂纹中的水压分布模型采用Brühwiler和Saouma水力劈裂试验的成果,体现了水压和裂纹宽度的耦合关系,给出了扩展有限元在裂纹面上施加水压力荷载的实施方法,对一典型重力坝裂纹的水力劈裂进行了数值模拟分析.研究结果表明:采用扩展有限元法模拟水力劈裂,克服了常规有限元法存在的缺点,裂纹扩展时不用重新划分网格,裂纹的实时宽度可以由加强节点的附加自由度得到,裂纹面上水压的施加也变得简单易行.当考虑裂纹内的流固耦合效应时,裂纹的扩展路径相比不考虑耦合效应时的扩展路径(均布全水头水压),扩展角变大,扩展距离变短.