基于内聚力模型的高速水流聚脲基涂层剥离破坏模型研究

冲磨和空蚀破坏是水利水电设施最为常见的病害之一,严重影响水利水电设施的安全运行和效益发挥. 泄洪建筑物通常喷涂聚脲基涂层来提高抗冲耐磨性能,但在泄洪高速水流速度作用下抗冲磨聚脲基涂层的剥离破坏机理的研究尚属空白. 本文基于高速水流的流态形式,提出了高速水流对泄洪建筑物的力学作用模型,水流作用对泄洪建筑物的载荷主要包括拖曳力、冲击力、脉动力和上浮力;采用内聚力模型表征聚脲基涂层与泄洪建筑物防护体界面的剥离破坏过程,建立了高速水流聚脲涂层的剥离破坏模型, 给出了模型的有限元形式方程、本构关系以及损伤起始原则、演化原则和接触碰撞模型. 通过聚脲涂层与混凝土基底的剥离破坏试验,分析了不同剥离倾角下界面剥离破坏的拉应力与倾角之间的变化规律,得到了聚脲涂层剥离破坏过程中应力-$\!$-位移变化关系. 根据剥离破坏试验计算了界面剥离破坏断裂模型参数,采用数值方法对模型进行了验证,试验结果与模型计算结果吻合良好,为泄洪建筑物的抗冲耐磨设计提供理论依据.      

构元组集损伤断裂模型及其与内聚区模型的比较

结构的响应实质上是材料的响应,宏观结构损伤至断裂的发展过程也是材料性质不断演化的结果.构元组集模型从材料的微观物理变形机制出发,基于对泛函势理论和Cauchy-Born准则,抽象出两种构元:弹簧束构元和体积构元.在微观层次上,结构损伤和断裂的实质都是原子间键合力减弱和丧失的结果,而弹簧束构元是同一方向上的原子键的抽象,因此损伤可以通过弹簧束构元的响应曲线来反映.组集两种构元的响应,建立了材料的弹性损伤本构关系,从而能一致描述材料从弹性到损伤、破坏的发展过程.将构元组集模型的本构关系嵌入ABAQUS的用户材料单元子程序UMAT,实现对结构响应的数值模拟.论文模拟了包含中心预制裂纹三点弯曲梁的裂纹扩展过程,并与内聚区模型比较,给出了内聚区模型所假设的应力-位移关系曲线,并从材料损伤演化的角度对材料裂纹扩展过程做出了物理解释.     

机床结构结合面静态特性研究与内聚力模拟

针对机床结构中的平面结合面,通过实验分析了结合面在均布面压作用下的结合面法向变形与平均压力的关系;将结合面表面简化为半圆弧和正弦曲线两种微观形貌,利用有限元方法模拟结合面的接触变形力学行为,计算结果显示半圆弧形貌接触分析结果与实验结果较为接近.从结合面作用的物理本质出发,将结合面的相互作用等效为内聚力效应,利用内聚力模型分析了结合面的静态力学行为;内聚力模型计算结果与实验结果吻合较好.     

面内裂纹扩展问题的虚拟裂纹闭合法和离散内聚力模型

论文介绍了处理面内裂纹扩展问题的两种断裂单元,分别为处理线性问题的VCCT哑节点断裂单元和处理非线性问题的DCZM断裂单元.并与有限元软件ABAQUS的断裂单元相对比,以验证其计算准确性和对网格、步长等不敏感性,以及计算效率高等特点.     

内聚力模型的形状对胶接结构断裂过程的影响

内聚力模型被广泛应用于粘接结构的断裂数值模拟过程中,为深入分析不同形状内聚力模型与胶黏剂性质和粘接结构断裂之间的关系,本文分别采用脆性和延展性两种类型胶黏剂,对其粘接的对接试件进行了单轴拉伸、剪切实验,以及其粘接的双臂梁试件进行了断裂实验.3种类型的内聚力模型(抛物线型、双线型和三线型)分别模拟了以上粘接结构的断裂过程,并与实验结果进行对比.结果发现:双线型的内聚力模型适用计算脆性胶黏剂的拉伸与剪切的断裂过程;指数型内聚力模型较适合计算延展性胶黏剂的拉伸和剪切的断裂过程,临界应力、断裂能和模型的形状参数是分析拉伸和剪切的重要参数;双臂梁试件的断裂过程模拟结果发现,断裂曲线与胶黏剂性质有关,内聚力模型形状参数也有影响.通过实验与计算结果分析,双线型内聚力模型更适合脆性胶黏剂粘接的双臂梁断裂计算,而三线型更适合计算延展性胶黏剂粘接的双臂梁断裂过程,此研究结果对胶黏剂的使用和粘接结构的断裂分析有很重要意义.     

纳米悬臂梁Si/Cu界面破坏的弹塑性内聚力模拟

实验测试表明[Thin Solid Films 516:1925-1930],纳米悬臂梁Si/Cu/SiN/Pt/C在弯曲载荷作用下发生沿Si/Cu界面的分层破坏,其载荷-位移曲线表现出明显的非线性行为.本文基于连续介质力学模型,对该实验观察到的界面裂纹萌生和沿界面扩展过程进行了数值模拟计算与分析.模拟计算中,采用指数型内聚力来表征Si/Cu界面本构关系,对Cu薄层分别按照线弹性和遵守Ramberg-Osgood型弹塑性本构关系来处理.通过与实验结果校准的方法,确定了该纳米悬臂梁中Si/Cu界面的结合强度诸参数.研究发现,内聚强度和内聚能是该内聚力模型的主导性参数;Cu薄膜层遵从线弹性本构关系更为适合于描述Si/Cu界面的分层破坏;与块体材料相比,纳米尺寸的Cu材料表现出很高的屈服应力和硬化指数,因此在整个过程中产生的塑性变形很小,这与前述的实验结果是一致的.     

微尺度泊肃叶流的高阶连续模型分析

分别从分子运动论及连续流理论出发,对体积力驱动的微尺度平面泊肃叶(Poiseuille)流的横向分布特征进行了分析. 分子水平模拟采用直接模拟蒙特卡罗(direct simulation Monte Carlo, DSMC)方法;连续流理论则主要考察了伯内特(Burnett)及超伯内特(Super-Burnett)等高阶连续模型,在平行流假设下,获得一组高阶非线性常微分方程,补充完整的边界条件,并应用龙格-库塔(Runge-Kutta)方法求解. 结果表明,即使对于过渡领域流动,高阶连续模型可以给出与DSMC 结果完全相符的压力分布,而速度分布当努森(Knudsen)数约为0.2时即在壁面开始出现偏差;对于温度的横向分布,伯内特模型回复到纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)水平,不能得到与DSMC一致的双峰结构,而超伯内特模型在滑移流动领域与DSMC定性相符,在过渡领域却仅能正确预测主流区温度分布,壁面附近差异明显;横向热流与纳维-斯托克斯模型预测接近,但机理上存在本质区别. 本文结果提示选用连续模型时,不仅要根据流动参数来判断,还可以根据所关注的物理量来进行调整,适度扩大连续模型的适用范围. 但即使采用高阶本构关系,连续模型仍然不能完全描述壁面附近区域的非平衡效应(如努森层效应),这是试图扩大连续模型适用范围时必然会遇到的困难.     

基于弹性-塑性内聚力模型的纤维拔出界面宏观行为分析

用解析法分析了单纤维从聚合物基体中的拔出过程,采用弹性—塑性内聚力模型模拟裂纹的扩展和界面失效,确定了临界纤维埋入长度,该值区分两种不同长度的纤维拔出过程. 在纤维拔出过程,界面经历不同的阶段. 纤维埋长小于临界长度时,界面的脱粘载荷与纤维的埋长成正比;超过临界长度后,界面的脱粘载荷近似为常数. 分析了界面参数对脱粘载荷的影响:增加界面的剪切强度和界面的断裂韧性,或减小界面裂纹萌生位移,均能提高界面的脱粘载荷;界面脱粘后无界面摩擦应力时,拔出载荷—位移曲线的峰值载荷等于界面的脱粘载荷;界面摩擦应力存在时,使峰值载荷大于脱粘载荷,需要较长的纤维埋入长度和较大的界面摩擦应力.      

带扰流小槽道内单相流动阻力特性实验

采用水作为工质, 实验研究入口或出口端加入圆柱扰流的不同高宽比多槽道散热器的压降特性; 结果表明: 单位长度压降随雷诺数成线性关系. 提出了雷诺数、水力学直径和槽道高宽比的拟合准则; 拟合公式在实验数据误差范围内很好反应类似系统的流阻特性. 对于线切割小槽道, 其摩阻系数和雷诺数成反比, 且较圆管理论值偏大; 对线切割槽道阻力特性分析发现, 表面粗糙度是其最主要的影响因素, 而扰流对其影响较小; 在槽道前部设置扰流柱可以增强换热.      

内聚力界面单元与复合材料的界面损伤分析

推导了一种基于内聚力模型无厚的界面单元,用来模拟复合材料纤维与基体之间的界面层．研究了纤维周期分布的复合材料受横向荷载时,在界面不同的强韧性条件下其界面损伤演化的规律和对复合材料整体性质的影响     

基于交通流实测数据的加速度研究

采用6 个不同密度下的交通流样本, 从视频中提取大量跟驰车对的车头间距、车速、加速度和速度差数据. 统计分析发现, 加速度值域关于0 点具有对称性; 不同密度下加速度分布具有不同特征; 车头间距、车速和速度差对加速度的影响程度随密度不同而不同. 利用实测数据对GM 模型和Bando 模型进行参数优化, 据此提出一种GM 模型的简化形式和一种改进的Bando 模型, 两者拟合该文实测数据的平均误差都在6% 以下.      

基于多节点微桁架元的薄板锚固区拉压杆模型

目前混凝土桥梁结构D区多依据应力迹线的走向以及应力积分来确定拉压杆模型的基本构形, 模型中杆件 的布置存在一定的困难和随意性.针对此问题, 以后张薄板锚固区为研究对象, 提出一种多尺度分区渐进结构优化算法.首先, 通过一种新的多节点微桁架元构建相应的等效基结构.然后利用此算法对不同偏心锚固力作用下的等效基结构进行分析, 以自动生成锚固区拉压杆模型.最后, 将该拉压杆模型与美国AASHTO桥梁设计规范中推荐的模型进行了对比.研究结果表明:该算法能够定量化确认拉压杆模型中杆件的位置, 特别是拉杆位置与数值分析得到的受拉区合力作用线能较好吻合.     

用内聚力模型研究PBGA封装焊点/IMC界面的分层开裂

塑料球栅阵列封装PBGA的可靠性分析中,考虑封装过程中SnAgCu焊料与铜焊盘界面间产生的金属间化合物(Intermetallic compound,IMC)的影响,并引入内聚力模型(Cohesive zone model,CZM),利用ANSYS对热循环作用下焊点/IMC界面的脱层开裂情况进行研究.结果表明:热循环作用下,在封装器件中焊点承受较大的应力应变,且远离中心的外侧焊点具有比内侧焊点更大的应力应变.IMC的存在极大的降低了焊点的可靠性.界面分层最先发生在最外侧的IMC/焊点界面的两端,随着热循环次数的增加,分层逐渐沿着界面两端向里扩展.在热循环的前几个阶段,各个界面的最大损伤值增大较快,随着热循环的继续加载,界面最大损伤值逐渐趋于稳定.整个过程中四号焊点界面的损伤值始终最大.     

低速冲击下纤维/金属层合板抗分层性能研究

论文采用内聚力模型,对纤维/金属层合板(FMLs)在低速冲击载荷作用下抗分层性能进行研究.内聚力模型对裂纹的模拟具有它独特的优势:一是该模型不需要预先假设初始缺陷;二是在计算过程中随着裂纹的扩展,该方法不需要重新对结构进行网格划分.借助该模型,论文对低速冲击载荷作用下,纤维层合板(FRP)分层进行了模拟,并验证了该模型计算的有效性.在此基础上,论文研究了低速冲击载荷作用下,不同金属含量的纤维/金属层合板抗分层性能,并与纤维层合板进行了比较.最后从能量的角度讨论了金属含量与铺层结构对FMLs低速冲击性能的影响.     

基于Khan-Huang模型高强度钢DP600率相关特性实验与本构模型研究

对汽车用高强钢DP600在10-4s-1~103s-1应变率范围内进行力学拉伸实验,在此基础上,采用唯象的方法对Khan-Huang本构模型进行修正建立DP600考虑率敏感效应的本构模型,对高应变率下试样的拉伸过程进行数值模拟验证模型有效性.结果表明,高强钢常温下具有明显的应变率敏感特性,高应变率下材料的屈服应力接近低应变率下的两倍.对Khan-Huang本构模型进行修正后可以比较准确地描述材料在不同应变率下力学行为,且参数容易确定,便于在有限元软件中实现接口,因此该模型可进一步应用于汽车的碰撞安全数值仿真中.     

MECHANLCAL FAILURE IN HAVERSIAN SYSTEMS ON THE BASIS OF MICROSTRUCTURE

The aim of this paper is to observe variations in the mechanical properties of Haversian systems including Haversian lamellae and canals,by means of the compressive test of five bone specimens subjected to different loads corresponding to 2KN,3KN,dKN,5KN and 6KN respectively. From a series of related microscopic pictures it is clearly seen that:(1) in the lower level of loading (2KN) ,the Haversian canals much the same as the one unsubjected to loads,and conditions of Harversian lamellae are also the same,but,the individual Harversian canal was slightly bent; (2) in the case of the higher levels of loading,it is first deformed in the weaked portion of the Haversian lamellae; (3) with increasing loads,the fracture shapes of the Haversian system are very complex,but the fractures always take place in the cement line between osteons.At the same time,deformed dimensions of the Harversian lamellae and canals were measured. The observed phenomena were qualitatively interpreted by the theory of the linear viscoelas-ticity.     

脆性岩石破裂过程损伤与渗流耦合数值模型研究

大量的实验结果表明，脆性岩石的渗透性不是一个常量，而是应力和应力诱发损伤破裂的函数．建立了一个描述非均匀岩石渗流-应力-损伤耦合数学模型(FSD Model)，开发出岩石破裂过程渗流-应力-损伤耦合分析计算系统(F-RFPA^2D)．在该系统中，单元的力学、水力学性质根据统计分布而变化，以体现材料的随机不均质性，材料在开裂破坏过程中流体压力传递通过单元渗流-损伤耦合迭代来实现．该系统能够对岩石试件在孔隙水压力和双轴荷载作用下裂纹的萌生、扩展过程中渗透率演化规律及其渗流-应力耦合机制进行模拟分析．最后，给出两个算例：算例1模拟载荷作用下岩石应力应变-渗透率全过程．模拟结果表明，非均匀性对岩石的应力峰值强度、峰值前后其渗透性演化规律及其破裂机制影响十分明显，模拟结果和实验结果较为一致；算例2模拟孔隙水压力作用下岩石拉伸断裂过程，通过和物理实验对比验证，验证了模型计算结果的可靠性。     

脑循环脉动流的集中参数模型

脑血管疾病和脑循环动力学异常改变密切相关．脑循环系统和体循环系统具有不完全相同的血液动力学特性．因此，临床上迫切需要一种既能反映脑循环的基本特性，又容易从中分析脑血管动力学参数的力学模型．本文在Ｗｉｌｉｓ环定常流模型的基础上，建立了描述脑循环血液脉动特性的集中参数模型，归结出了模型控制方程及求解方法．通过实例计算发现：理论计算结果和实验检测数据相当吻合，说明模型是符合生理实际的．这将为脑循环研究提供一个较理想的血液动力学模型     

低速冲击后含损复合材料夹层板剩余强度研究进展

综述了受低速冲击后复合材料夹层板的损伤性态研究进展,重点介绍了倍受复合材料工程结构设计师所关注的受损复合材料夹层板的剩余拉/压强度.主要内容为:(1) 复合材料夹层板损伤特征;(2)剩余拉伸强度;(3)剩余压缩强度;(4)相关问题的讨论与研究展望.      

库水浸泡后滑坡体中水分布的实验研究

建立了室内模拟库拟库水浸泡后滑坡体内水润湿的渗流实验装置，根据清江茅坪滑坡的地形、地貌以及岩土混合比例，填制了岩土体实验模型。模拟了水位在涨至模拟坡体凌空面一半高度和水位漫过凌空面达到第一平台高度时，坡体内的水分布情况，在水位降落实验过程中，岩土体部分失稳。证明了润湿滞后在降水期滑坡中起主要作用。