非均质材料弹塑性破裂过程的数值模拟研究

阐述了岩土类材料的非均质特性，根据这种特性提出了对材料参数进行随机赋值的方法。为了对非匀质类材料的弹塑性破裂过程进行数值模拟研究，必须在有限元计算中实现材料的参数随机赋值。还给出了实例－－平面应力状态下试样的弹塑性破裂过程的数值模拟分析。     

岩石试样弹塑性破裂过程的数值模拟分析

依据岩土类材料的非匀质性特性，并采用对材料参数进行随机赋值的方法研制了弹塑性破裂过程数值分析程序，并用实例证明了程序的可靠性。应用该程序对岩石试样弹塑性破裂过程进行数值模拟研究．分析表明：数值模拟结果与试验研究结果是吻合的。从而为工程岩体断裂分析提出了一种可能的方法与途径。     

岩石弹塑性破裂过程的数值模拟研究

分析了对于非均质、非连续且材料参数分布具有分散性和随机性的岩体介质,采用传统有限元法解决其工程问题的局限性．阐述了用岩石力学性质的分布特性来描述岩石材料不均匀性,并用蒙特卡洛模拟方法,将符合Weibull分布规律的材料参数赋予岩体结构中的各个单元体,进而用计算机进行数值模拟的研究方法．应用了在Windows95环境下利用FORTRAN Power Station4．0平台开发的具有可视性的“岩石弹塑性破裂过程分析”软件——REPFPA软件,对典型的岩石试样和巷道模型的弹塑性破裂过程进行数值模拟研究,得到了有价值的实验结果．证明把材料参数随机赋值方法引入到岩土类材料的弹塑性破裂过程分析中去,并用计算机进行数值模拟是研究岩石弹塑性破裂过程的一种有效方法。     

基于矿物构成的非均质岩石材料数值方法研究

基于岩石材料的矿物构成利用矿物细胞元随机性参数赋值方法对岩石材料数值模型进行参数赋值,描述岩石材料的非均质特性.利用该赋值方法所具有的随机性特征和结构性特征,在二维情况下计算整体模型中代表各类别矿物的单元的总面积期望值,讨论了该赋值方法对整体模型中的所有单元网格具有相同尺寸的依赖性,并利用该赋值方法建立非均质巴西圆盘模型,对其纵向受力轴线上的应力进行了数值计算.研究结果表明,矿物细胞元随机性参数赋值方法通过考虑岩石矿物构成,可使数值模型内各矿物含量与岩石材料真实含量相等,且不要求整体模型的所有单元网格具有相同的尺寸;通过均质情形下和非均质情形下巴西圆盘试验的数值模拟结果比较,岩石材料的非均质特性对圆盘的应力分布有着显著影响.     

脆性材料热-力耦合模型及热破裂数值分析方法

针对混凝土、岩石等脆性材料,利用热传导和热-力耦合的相关理论,并结合材料在细观尺度上的损伤演化规律,提出了一种考虑损伤的热-力耦合模型,并在原有材料破坏过程分析系统RFPA(Realistic Failure Process Analysis)模型的基础上建立了脆性材料热破裂过程分析的数值模拟方法.该方法考虑了脆性材料在细观层次上力学性质的非均匀性(包括强度、弹模、传导系数等),并通过统计分布函数建立了宏、细观力学性能之间的联系.对不同均匀程度材料的数值模拟结果表明:材料的非均匀性对热传导规律、热应力分布以及热破坏模式有较大的影响.材料热力学性质的非均匀性加剧了材料内部热应力分布的非均匀性,这是致使非均匀材料热破裂的一个重要因素.对稳态和瞬态热传导两种条件下的脆性介质破裂过程模拟分析表明,考虑瞬态热传导计算所得到的破裂区小于相同条件下稳态热传导所得到的结果,表明在热破裂过程分析中,应注重考虑瞬态热传导对破裂过程的影响.     

一种岩石概率型本构及其应用

在岩石材料非均匀特性的基础上,建立了弹塑性概率材料本构．认为材料单元的切线模量与破坏强度都是服从二参数Weibull分布的随机量,通过用户材料子程序将该本构导入到LS—DYNA3D中,推导了程序流程,分析了导入过程中的关键技术．算例验证表明,应用该本构模拟得出的现象与实验观测完全一致,这是确定性本构无法实现的．     

基于颗粒流的混凝土材料数值实验研究

混凝土材料是一种典型的非均质材料,其力学行为和破坏过程很复杂.本文利用PFC颗粒流软件的内嵌fish语言编写了骨料生成程序、边界条件控制程序,程序模拟了MTS伺服功能,实现了虚拟的混凝土单轴压缩试验.相对于一般有限元程序投放的骨料,文中骨料可以破裂.在生成的数值试件基础上,设计了单级配和全级配混凝土单轴压缩试验,并对其破裂形态、裂纹扩展过程、应力应变曲线和破裂过程能量变化规律进行了研究.利用该虚拟试验平台,可对混凝土的动、静力学特性进行系统研究.     

不同围压作用下非均匀岩石水压致裂过程的数值模拟

从岩石细观非均匀性的特点出发，提出一个描述非均匀材料渗流和破裂相互作用的数值模型。在这个数值模型中，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。算例表明，该模型能较好地模拟出岩石类材料在水力压裂作用下，微结构非均匀分布和不同围压比对破裂模式、失稳压力的影响，非均匀性导致试件的开裂压力、失稳压力明显不同，裂纹扩展路径不规则发展，模拟结果和实验结果较为一致。     

梁-颗粒模型在混凝土侵彻问题中的应用

用二维梁-颗粒模型BPM2D（beam-particle model in two dimensions）模拟了混凝土侵彻问题。在模型中用3种类型梁单元形成混凝土数值试样。每种类型梁单元的力学性质均按韦伯分布随机赋值来模拟混凝土细观结构的非均匀性。利用此模型对在钢弹侵彻下混凝土圆板的破坏过程进行了数值模拟。通过将计算结果与实验数据及LS-DYNA程序模拟结果比较,表明梁-颗粒模型可有效地应用于计算和模拟材料从连续介质向非连续介质转变的动态破坏问题。     

非匀质材料板的微结构优化设计

探讨具有微结构构造的非匀质材料构件在微结构层次上的优化设计,即寻求满足构件宏观性能要求的最佳微结构材料与构造参数。文中采用细观元法确定非匀质材料构件宏观性能与材料微结构参数间定量关系,建立起微结构优化设计数学模型,具体分析了复合材料板件满足强度、刚度要求的最佳微结构参数。有关方法可适用于复合材料、功能梯度材料、智能材料等新材料构件。     

线性疲劳累积损伤准则适用性评估

本文将线性疲劳累积损伤理论分为3类:(1)等损伤线性疲劳累积损伤理论;(2)变损伤线性疲劳累积理论;(3)等损伤线性分阶段疲劳累积损伤理论.对每类理论分别从理论基础、材料常数、引入的参量及工程应用等方面进行分析,归纳出典型模型,并利用金属材料的两级谱、多级谱和随机谱试验数据进行了评估.最后,从理论基础和数据评估两方面进行综合评述,得出了不同类型的模型的适用范围和计算效果,对工程实践具有参考价值.     

薄板统计分析的随机边界元法

本文建立了分析含随机材料参数的薄板弯曲问题的随机边界元法。基于Ｔａｙｌｏｒ级数展开技术，分别得到了位移的均值和一阶偏差的边界积分方程，发现材料参数的随机性可作为一个等效的随机荷载处理，从而得到边界位移或边界力的均值和协方差，并进一步求出内点位移和力矩的均值和协方差，最后用本文方法计算了两个算例，并对结果进行了必要的分析。     

THE STOCHASTIC BOUNDARY ELEMENT METHOD IN STATISTICAL ANALYSIS OF MODERATELY THICK PLATES

In this paper a stochastic boundary element method(SBEM)isdeveloped to analyze moderately thick plates with random material parameters andrandom thickness.Based on the Taylor series expansion,the boundary integrationequations concerning the mean and deviation of the generalized displacements arederived,respectively.It is found that the randomness of material parameters isequivalent to a random load,so the mean and covariance matrices of unknowngeneralized boundary displacements and tractions can be obtained.Furthermore,themean and covariance of generalized displacements and forces at internal points can alsobe obtained.A numerical example has been worked out with the method proposed andnecessary analysis is made for the results.     

复合材料组分性能随机性识别的克里金随机分析方法

建立非均匀材料宏观力学性能与微结构参数之间的定量关系一直是人们所关心的问题,利用材料微结构参数和组分性能预报复合材料宏观力学性能,已经取得了很大的进展,然而已知复合材料宏观性能,如何开展组分性能的随机识别,目前的研究工作还不多见.论文考虑了复合材料的随机性,在已知复合材料宏观有效性能的随机性条件下,采用克里金随机分析方法,对复合材料组分性能的随机性进行识别,通过单向纤维复合材料的宏观有效性能的随机性,计算得到了纤维弹性模量的均值与方差,证明了该方法的有效性.     

Reflection and transmission by a random medium

From ultrasonic inspections of heterogeneous materials the ultrasonic velocity in a test specimen and the ultrasonic reflection and transmission coefficients can be found over a certain range of frequencies. This paper presents a theoretical analysis of the frequency dependence of the reflection and transmission coefficients caused by random fluctuations of the material parameters.The procedure of using the effective frequency-dependent material parameters of an unbounded random medium to determine the wave propagation in a bounded random medium is not applicable at a distance of the boundary of the order of a correlation length. From this interface effect a contribution to the frequency dependence of the reflection and transmission coefficients arises.A previous consideration assuming the correlation length of the fluctuations to be small compared with the wavelength, is extended to shorter waves. Moreover, the wave propagation in a random half-space whose average material parameter differs from that of the exterior is considered. The consequences of the fluctuations of the elastic constants are of special interest, because they do not go with ω² in the governing wave equation as the density does.The interface effect is also discussed in the static limit of ‘homogeneous deformation’.     

橡胶材料弹性的一种新的螺旋管模型

建立统计力学模型正确描述材料微观结构与宏观力学特性之间的关系是软物质类材料的最大挑战之一,已有的橡胶材料统计模型尚存在一些不足.文章根据橡胶类材料宏观各向同性、连续均匀和不可压缩特性,结合分子链的非高斯统计模型,提出一种橡胶材料网络结构的力学特性模型.该模型将代表体元上对应点之间的传力路径用一个类螺旋管区域约束的分子链子网络来描述,螺旋管的表面随材料的宏观变形做仿射变形,分子链子网络由方向和长度随机的分子链或链段首尾链接而成,在此基础上由分子链的熵推导出描述材料宏观力学特性的本构关系.通过大量的材料测试数据对本构模型进行拟合验证,拟合结果表明该模型具有非常好的精度,并且在采用两个参数时模型具有非常高的可靠性,仅用单轴拉伸实验数据拟合模型就能准确预测全部3类实验数据.该模型使用了仿射的弯曲管假设,能从微观结构尺度上说明材料的不可压缩特性,避免了直管模型的近似性,为微观尺度的随机性和宏观的均匀性的联系提出一个新的模型.     

基于有限材料参数试验数据的横观各向同性板结构随机有限元分析与验证

当材性试验数据有限时,为了研究各力学参数的离散性和不确定性对结构性能计算的影响,需要对材料参数采用随机变量建模并基于概率理论构建刚度矩阵的随机模型。为此,首先将随机弹性张量分解为一组基张量和由材料参数构成的随机系数的线性组合,以考虑刚度矩阵各分量间的统计相关性;并利用最大熵原理确定由上述随机系数组成的随机向量的概率密度函数。采用基于Metropolis-Hasting算法的马尔科夫链蒙特卡罗方法用于计算与之相关的概率模型的拉格朗日乘子,并通过Matlab生成材料参数的随机样本。最后采用蒙特卡罗随机有限元法对横观各向同性材料构成的板式结构在不同荷载下的力学行为进行了数值分析。以刨花板材料为典型案例,与试验结果对比,验证了本文方法的效果和实用性。     

含正交排列夹杂和缺陷材料的等效弹性模量和损伤

研究含正交排列夹杂和缺陷材料的等效弹性模量和损伤,推导了以Eshelby－Mori－Tanaka方法求解多相各向异性复合材料等效弹性模量的简便计算公式,针对含三相正交椭球状夹杂的正交各向异性材料,得到了由细观参量（夹杂的形状、方位和体积分数）表示的等效弹性模量的解析表达式．在此基础上,提出了一个宏细观结合的正交各向异性损伤模型,从而建立了以细观量为参量的含损伤材料的应力应变关系．最后,对影响材料损伤的细观结构参数进行了分析．     

功能梯度材料结构热力耦合概率分析方法

基于自洽平均微观力学W-T(Wakashima-Tsukamoto)模型和拉丁超立方抽样,建立一种功能梯度平板热力耦合概率分析方法.以材料物理属性和空间分布的不确定性随机参数作为概率分析的输入,以热应力作为输出,基于本征正交分解POD(Proper Orthogonal Decomposition)对热应力的随机时间历...     

一种估算谱载疲劳裂纹起始寿命的方法

提出了一种估算谱载疲劳裂纹起始寿命的等效载荷法，该法在变幅载荷的均方根算式中引入加权因子和修正系数来分别反映不同载荷变程和平均应力对变幅疲劳寿命的影响，并用相应获得的等幅载荷取代变幅载荷来估算谱载下的疲劳裂纹起始寿命．该法仅依赖于材料的等幅S-N曲线和单轴力学性能，不含任何待定参数，使用方便；两种材料3种谱载下15组变幅疲劳试验数据的评估结果显示，该法的平均寿命预测精度分别较同类型的Miner法则、修正Miner法则、均方根法提高了99．1％，24．6％和50．0％。