岩石巴西圆盘动态劈裂的流形元法模拟

利用二阶流形元法,通过引入裂纹产生与扩展判据,对冲击载荷作用下岩石平台巴西圆盘的动态拉伸劈裂过程进行了数值模拟,再现拉伸波作用下圆盘被劈裂的过程。模拟现象与实验结果相符,动态平衡时的应力分布与有限元结果基本一致。从而验证了流形元在模拟冲击载荷作用下材料动态破坏过程的有效性和可行性。     

岩石材料动态破坏的近场动力学方法数值模拟

裂纹的聚集、扩展、分叉是岩石等脆性材料破坏失效的关键因素，本文在验证了近场动力学方法在研究岩石类材料裂纹动态扩展方面的有效性之后，采用近场动力学方法分别对冲击载荷作用下含有双裂纹岩石材料和单轴压缩作用下含单斜裂纹的岩石材料进行数值模拟．结果表明，对于双垂直裂纹，其裂纹扩展路径大致与预制裂纹成70°夹角；对于单裂纹，裂纹的扩展路径随裂纹倾角的变化而变化，最终导致构件的整体破坏．数值模拟结果表明近场动力学方法可以很好地模拟岩石等脆性材料的裂纹扩展直至破坏的过程，反映裂纹扩展的物理机理；其作为一种新的基于非局部理论的数值方法，在地下岩体工程方面及页岩气的开采方面会有很好的发展前景．     

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。     

近场动力学在断裂力学领域的研究进展

近场动力学采用非局部积分计算节点内力, 利用统一数学框架描述空间连续与非连续, 避免了非连续区局部空间导数引起的应力奇异, 数值上具有无网格属性, 可自然模拟材料结构的断裂问题. 本文概述了近场动力学的弹性本构力模型, 系统介绍了近场动力学临界伸长率、临界能量密度以及材料强度相关的键失效准则. 详细介绍了近场动力学在断裂力学领域的研究进展, 包括断裂参数能量释放率与应力强度因子的求解、J积分、混合型裂纹、弹塑性断裂、黏聚力模型、动态断裂、材料界面断裂以及疲劳裂纹扩展等. 最后讨论了断裂问题近场动力学研究的发展方向.      

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。     

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。     

含圆孔拉伸板的近场动力学数值模拟

首先推导了非普通状态为基础的近场动力学基本方程,引入损伤理论,对非普通状态为基础的近场动力学基本方程进行离散化,编制了非普通状态为基础的近场动力学数值分析程序。利用非普通状态为基础的近场动力学理论对圆孔拉伸板的断裂和非断裂问题进行了数值模拟。数值结果表明近场动力学理论不仅能模拟非断裂问题,也能模拟断裂问题,而且该方法不需要借助任何外部断裂准则就能很好地模拟裂纹的扩展和连接过程,相对于其它的数值模拟方法具有很大的优势,它为材料断裂问题提供了一种新方法和新思路。     

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。     

钢筋混凝土结构破坏过程的近场动力学模拟

采用近场动力学(Peridynamics,PD)方法对钢筋混凝土结构破坏过程进行模拟,在"键"型近场动力学模型的基础上,考虑物质点对间的转动以突破泊松比的限制,采用能够描述混凝土材料的拉压异性和断裂特征的损伤模型,引入动态松弛、分级加载、平衡收敛准则和冲击接触等算法,建立了能准确描述钢筋混凝土结构破坏的近场动力学模型。模拟了钢筋混凝土梁在不同荷载作用下破坏的全过程,裂纹扩展路径以及最终破坏形式均与试验结果吻合,为解决工程结构破坏问题提供了一种有效的方法。     

岩石圆盘径向压缩破坏的Voronoi子块体单元DDA方法模拟

非连续变形分析(DDA)方法是计算离散可变形块体系统力学行为的数值计算方法，可通过子块体单元DDA方法模拟岩石的开裂破坏。考虑到Voronoi多边形颗粒与细观尺度下岩石矿物晶粒形态的相似性，提出一种基于随机圆的Voronoi颗粒单元模型生成方法；并通过完整及带预制裂纹岩石圆盘径向压缩破坏的模拟，验证岩石破裂问题Voronoi子块体单元DDA模拟方法的适用性。结果表明，当子块体单元数较小时，圆盘表现出更高的整体强度；随着子块体单元数的增大，起裂处位置更接近真实，开裂破坏路径更清晰；子块体单元数较大时不同倾角预制裂纹圆盘破坏的模拟结果与实验结果高度吻合，并能有效反映圆盘中心加工小孔对开裂破坏路径的影响。使用Voronoi子块体单元DDA方法能够有效模拟岩石的开裂破坏过程，为进一步开展基于Voronoi颗粒单元模型的岩石开裂破坏模拟创造了条件。     

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。     

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.     

Particle flow study on strength and meso-mechanism of Brazilian splitting test for jointed rock mass

A discrete element method （DEM） called particle flow code （PFC2D） was used to construct a model for Brazilian disc splitting test in the present study. Based on the experimental results of intact Brazilian disc of rock-like material, a set of micro-parameters in PFC2D that reflected the macro-mechanical behavior of rock-like materials were obtained. And then PFC2D was used to simulate Brazilian splitting test for jointed rock mass specimens and specimen containing a central straight notch. The effect of joint angle and notch angle on the tensile strength and failure mode of jointed rock specimens was detailed analyzed. In order to reveal the meso-mechanical mechanism of crack coalescence, displacement trend lines were applied to analyze the displacement evolution during the crack initiation and propagation. The investigated conclusions can be described as follows. （1） The tensile strength of jointed rock mass disc specimen is dependent to the joint angle. As the joint angle increases, the tensile strength of jointed rock specimen takes on a nonlinear variance. （2） The tensile strength of jointed rock mass disc specimen containing a central straight notch distributes as a function of both joint angle and notch angle. （3） Three major failure modes, i.e., pure tensile failure, shear failure and mixed tension and shear failure mode are observed in jointed rock mass disc specimens under Brazilian test. （4） The notch angle roles on crack initiation and and joint angle play important propagation characteristics of jointed rock mass disc specimen containing a central straight notch under Brazilian test.     

类岩石材料中表面裂纹扩展模式的实验研究

采用粘贴式轴拉方法实现了类岩石材料的直接拉伸实验,通过在类岩石材料试件中预制表面裂纹研究了类岩石材料中表面裂纹的扩展模式.研究发现,粘贴式轴拉方法可以满足一般类岩石材料的直接拉伸实验;类岩石材料中表面裂纹首先从试件正面开始扩展;表面裂纹的存在极大地影响着材料的破坏模式,类岩石材料在试件的正面上会表现出明显的二维穿透性裂纹的扩展形态,但是受其影响裂纹在厚度方向扩展会发生偏转,从而使得试件背面的最终贯通方向没有与加载方向垂直,而是呈一倾角,并且和表面裂纹的倾角和深度有关.     

准静态变形破坏的近场动力学分析

基于近场动力学理论,提出新的更能反映非局部长程力特性的物质点间作用力函数,并通过在物质点运动方程中引入局部阻尼、构造分级加载算法和系统失衡判断准则,实现了采用统一的近场动力学模型和算法进行从准静态变形、裂纹萌生和扩展直至结构破坏全过程的连续模拟和准确定量计算。     

Elastic Constants Determination and Deformation Observation Using Brazilian Disk Geometry

Brazilian disk compression has been proposed as an alternative for measuring elastic constants of brittle solids with very low tensile strength (Hondros, Aust J Appl Sci 10:243–268, 1959). Subsequently however, the Brazilian disk geometry was mainly used for measuring fracture toughness and tensile strength of brittle materials, like rocks and concretes. In this study, we revisit the Brazilian disk specimen as a tool for determining elastic constants and for observing the deformation process up to failure. We used the optical digital image correlation (DIC) technique to obtain the displacement field on the specimen surface and proposed a scheme for determining the elastic constants from the measured displacement field and the applied load. Details of the elastic constant determination of a homogeneous material, epoxy resin, were presented. Comparison of the elastic constant measured using Brazilian disk with those obtained through more conventional means was carried out. We also present observations of the deformation evolution of the epoxy resin disk subjected to large nonlinear deformation up to failure and subjected to compressive loading and unloading.     

Superposition of non-ordinary state-based peridynamics and finite element method for material failure simulations

Superposition of non-ordinary state-based peridynamics and finite element method for material failure simulations, including crack propagation and strain localization is developed. By this approach, a peridynamic model capable of effectively treating strong and weak discontinuities is superimposed in the critical regions over an underlying finite element mesh placed over the entire problem domain. A rigorous variational framework of coupling local finite element and nonlocal peridynamics approximations that is free of blending parameters is developed. Several numerical examples involving mixed-model fracture, three-dimensional adaptive crack propagation and strain localization induced ductile failure demonstrate the rational and efficiency of the proposed superposition-based coupling approach.