含圆孔复合材料层板在拉伸载荷下损伤破坏过程的模拟

本文应用有限元法模拟受拉含孔复合材料层板损伤起始、累积直至破坏的过程。在模拟中引入了作者早些时建立的包含基体开裂层非对称约束影响的损伤本构关系，以及裂纹密度与损伤区应力关系函数等。本文给出损伤累积模拟方法并编制了程序，用该程序可以获得层板加载过程中各层的损伤状态、计算其刚度衰减和应力重分布以及最终破坏载荷。给出了数值模拟算例并与现有研究结果进行了比较。     

静应力作用下的层合板接头损伤失效分析

基于单层板理论,结合有限元分析技术即应力分析、Hashin三维失效判定准则、包含4种基本损伤类型相互关联作用的材料性能退化方法及结构最终破坏判据等,建立了含辅助铺层层合板接头静载损伤失效分析方法. 同时,对层合板接头损伤扩展进行了模拟分析,损伤计算结果与试验分级加载试样X光进行了对比. 通过多种类型层合板接头静强度预测结果与试验结果对比及静载累积损伤规律分析表明,建立的静载三维累积损伤分析的强度预测方法可方便模拟不同结构尺寸层合板接头内部各铺层损伤起始、发展及结构最终破坏整个累积过程,同时获得其最终破坏强度及破坏模式. 该方法的预测结果与试验结果吻合较好.      

一种基于空穴聚集的层裂模型

基于如下假设，给出了层裂过程中的应力松弛方程，并建立了一种基于空穴聚集的延性层裂模型:在层裂早期，微空穴的主要效应是减小应力作用面积；在层裂后期，应力按空穴聚集时的应力-空隙度依赖关系减小。把P.F.Thomason、D.L.Tonks等及S.Cochran等给出的依赖于应力（压力）的层裂空隙度方程分别耦合于守恒方程、计及损伤的状态方程及本构方程，建立了求解所有变量包括损伤的封闭方程组。这种基于空穴聚集的层裂模型已被应用于一维层裂试验的数值模拟。模型中的层裂强度及临界损伤度初始可以估计，最终的确定将使数值模拟结果与实测的速度（或应力）剖面以及观测的层裂面上的损伤基本一致。分别基于D.L.Tonk等及S.Cochran等给出的依赖于压力的层裂空隙度方程所作的一维层裂试验数值模拟结果基本一致，而与基于P.F.Thomason给出的依赖于应力的层裂空隙度方程所作的相应数值模拟结果有明显差异。     

碳／环氧层板螺接接头拉脱疲劳的实验研究

拉脱破坏是复合材料结构机械连接接头破坏的一种模式。本文通过实验研究了拉脱疲劳累积损伤的扩展过程，并应用累积损伤理论定义和测定了损伤参数，提出了损伤极限的概念，简单阐述了损伤破坏机理。     

航空发动机涡轮盘裂纹萌生寿命的估算方法

针对航空发动机涡轮盘裂纹萌生寿命的估算问题，给出一个全新的损伤参量。该损伤参量结合了分析多轴疲劳的临界面方法，“应力功”的概念和疲劳破坏的微观机制。依据该损伤参量，利用有限元程序和自编程序计算得出损伤参量和疲劳循环次数的关系，建立以这一损伤参量为基础的疲劳损伤累积模型，进而估算涡轮盘裂纹萌生寿命。     

含孔复合材料层合板静拉伸三维逐渐损伤分析

针对面内静拉伸纤维增强复合材料含中孔层合板，发展了参数化三维逐渐损伤模型. 该模型 可以模拟含中孔层合板损伤起始、发展及最终结构破坏整个过程，并能较好地预测含中孔层 合板的破坏模式和破坏强度. 采用所发展的模型和有限元三维逐渐损伤分析技术即应力分 析、失效判定准则及损伤过程中材料性能退化等，对其他文献所提供的9种不同类型含中孔层合板进行了损伤扩展分析及强度预测，同时对层合板的损伤基本机理、类型及其相互关联作用进行了探讨，计算结果与文献实验结果非常吻合.     

两级载荷下复合材料层板疲劳与寿命预测

研究了复合材料层板疲劳过程中的累积应变演化规律，建立了以累积应变为基础的非线性积累损伤法则，实验结果表明：文中提出的累积应变方法能够较好地反映加载次序效应，准确地预测了复合材料层板在两级载荷下的疲劳寿命。     

高温条件下混凝土墙体的非线性分析研究

本文建立了一个弹塑性-损伤耦合本构模型用于数值模拟高温下混凝土的真实破坏过程。导出了一个利用Newton-Raphson迭代的一般的直接应力返回映射算法。同时求解应力向量和塑性、损伤的内状态变量。并推导了用于化学-热-湿-力学耦合分析的全局守恒方程Newton-Raphson迭代过程的一致性切线模量矩阵。建议了一个用于弹塑性-损伤耦合分析的两级求解过程。给出的数值例题结果显示了所提出的数法和公式的正确性,表明了所发展的弹塑性-损伤耦合本构模型在模拟高温下混凝土墙体中复杂破坏过程的能力。     

一种FRP累积损伤模型及其在结构疲劳寿命估算中的应用

推荐了一种应变损伤累积模型，能够考虑单向板面内多轴应力和平均应力的影响。只需要单向板在确定应力比下的若干典型疲劳试验结果，就可以预测相同材料体系多向层压结构在不同应力比的循环载荷下的疲劳寿命，有助于降低试验成本和工作量。研究了适用于多向层压结构剩余强度估算和疲劳寿命预测的步骤和程序。针对碳纤维／树脂基T300／QY8911复合材料，试验测定了三组典型单轴循环应力（[0]16拉－拉、[90]16拉－拉和[0/90]4S剪－剪）下的S－N曲线。以此为输入，预测四种多向铺层板在各种拉－拉循环应力下的疲劳寿命，寿命预测结果和相应的试验结果吻合良好。采用了保持计算和试验的载荷／强度比相对等值的方法来近似抵消层合效应对疲劳寿命的影响。强调了进一步发展能够定量估计层间应力影响与分层扩展过程的疲劳损伤模型的重要性。     

单轴压缩下透明类岩石损伤演化特征研究

为研究岩石变形破坏模式及内部裂纹扩展过程,采用环氧树脂、固化剂、熔融石英砂与玻璃砂制备非均质、各向异性的新型透明类岩石,通过室内单轴压缩试验及颗粒流(PFC2D)数值模拟,分析了其破坏模式及裂纹演化过程。室内试验中,透明类岩石峰值强度在砂岩强度范围内的破坏模式与砂岩相似,呈现劈裂剪切混合破坏,裂纹发育大多以层理面为起始点;对比PFC2D数值模拟与室内试验,两者应力-应变曲线相似,最终破坏模式及过程基本一致;将透明类岩石的PFC2D裂纹累积演化曲线划分为无损伤、初始损伤、损伤发展、损伤加速发展、损伤破坏阶段,并确定了其损伤门槛值。本文试验结果,可为直接观察岩石内部裂纹扩展提供参考。     

实验—数值综合法确定受载复合材料板的变形场和损伤场

本文根据广义弹脆性损伤理论模型，用综合实验分析和数值计算的方法，确定受载复合材料板的形变场和损伤场。首先用云纹干涉法确定各受损单元的节点位移，再用有限元分析得到这些单元的真实应变和有效应变。由此计算受载各单元的损伤变量和有效弹性系数。最后，根据弹脆性材料的损伤本构关系确定受载复合材料板的真实应力场。     

基于爆炸切割试验的有机玻璃本构模型参数反演

为了获取爆炸切割数值模拟中有机玻璃（PMMA）的材料本构模型参数,建立了一种基于神经网络的有机玻璃Johnson Holmquist ceramics (JH-2)本构模型参数反演方法：基于从爆炸切割试验和现有研究得到的JH-2本构模型经验参数,确定本构模型参数的调整区间;使用LS-DYNA数值模拟软件对2.5 mm宽爆炸切割索切割14 mm PMMA平板过程进行数值模拟并收集平板损伤数据集;建立PMMA平板本构模型参数与损伤数据之间的神经网络模型;通过训练完成的神经网络模型对PMMA平板的JH-2本构模型参数进行反演。为验证通过反演参数的可靠性,进行了4.2 mm宽爆炸切割索切割19 mm PMMA平板试验和有限元数值模拟,计算结果中的平板损伤情况与实验结果相差较小,表明通过反演获得的JH-2本构模型参数能较好地应用于PMMA平板爆炸切割数值模拟。传统材料参数获取方法,该参数反演方法相较于可以通过较少的试验及测试,获得比较准确的材料本构模型参数。     

A DAMAGE MECHANICS MODEL FOR FATIGUE LIFE PREDICTION OF FIBER REINFORCED POLYMER COMPOSITE LAMINA

A damage mechanics fatigue life prediction model for the fiber reinforced polymer lamina is established. The stiffness matrix of the lamina is derived by elastic constants of fiber and matrix. Two independent damage degrees of fiber and matrix are introduced to establish constitutive relations with damage. The damage driving forces and damage evolution equations for fiber and matrix are derived respectively. Fatigue tests on 0°and 90°unidirectional laminates are conducted respectively to identify parameters in damage evolution equations of fiber and matrix. The failure criterion of the lamina is presented. Finally, the life prediction model for lamina is proposed.     

A continuum damage model for piezoelectric materials

In this paper, a constitutive model is proposed for piezoelectric material solids containing distributed cracks. The model is formulated in a framework of continuum damage mechanics using second rank tensors as internal variables. The Helrnhotlz free energy of piezoelectric mate- rials with damage is then expressed as a polynomial including the transformed strains, the electric field vector and the tensorial damage variables by using the integrity bases restricted by the initial orthotropic symmetry of the material. By using the Talreja＇s tensor valued internal state damage variables as well as the Helrnhotlz free energy of the piezoelectric material, the constitutive relations of piezoelectric materials with damage are derived. The model is applied to a special case of piezoelectric plate with transverse matrix cracks. With the Kirchhoff hypothesis of plate, the free vibration equations of the piezoelectric rectangular plate considering damage is established. By using Galerkin method, the equations are solved. Numerical results show the effect of the damage on the free vibration of the piezoelectric plate under the close-circuit condition, and the present results are compared with those of the three-dimensional theory.     

混凝土冻融损伤本构模型研究

基于各向同性连续损伤力学理论,以损伤条件下的弹性模量和泊松比为变量,基于Ottosen理论模型建立了混凝土冻融损伤破坏准则,并以Ottosen本构理论模型为基础,利用建立的冻融损伤破坏准则构建了混凝土冻融损伤本构模型,并编制了本构模型有限元程序,经过试验验证模型计算结果较为准确,为有限元计算和冻融作用后混凝土结构模拟应...     

一种诊断复合材料层合板损伤的频响方法

本文首先选取对故障比较敏感,又能反映结构动力学特性的频响函数作为诊断故障的参数。通过计算无损板在给定模态下各单元的模态能量,求得每个单元对该阶模态下全板能量的贡献,并由模态实验得到损伤前后频响函数在各阶共振峰处的变化。分析发现两者之间存在内在联系,从而得到一种分析小损伤位置和范围的新方法。     

First-order gradient damage theory

Taking the strain tensor, the scalar damage variable, and the damage gradient as the state variables of the Helmholtz free energy, the general expressions of the firstorder gradient damage constitutive equations are derived directly from the basic law of irreversible thermodynamics with the constitutive functional expansion method at the natural state. When the damage variable is equal to zero, the expressions can be simplified to the linear elastic constitutive equations. When the damage gradient vanishes, the expressions can be simplified to the classical damage constitutive equations based on the strain equivalence hypothesis. A one-dimensional problem is presented to indicate that the damage field changes from the non-periodic solutions to the spatial periodic-like solutions with stress increment. The peak value region develops a localization band. The onset mechanism of strain localization is proposed. Damage localization emerges after damage occurs for a short time. The width of the localization band is proportional to the internal characteristic length.     

基于高阶位移模式的压电层合板动力有限元模型

建立了含压电片层合板的有限元动力学模型。以位于压电层上下表面处的电场强度和层间电压为未知量,给出了三次函数的电势分布模式,采用Reddy的高阶剪切理论描述板的位移场,假设板厚度方向的正应力为零给出了减缩的本构方程,采用有限元方法,基于Hamilton原理导出结构的动力学方程,然后用静态缩聚的方法压缩掉电场自由度和次要的位移自由度。最后用四边形矩形单元求解了一对称铺层和非对称铺层悬臂板的固有频率,并与ANSYS结果对比验证了本文模型的精确性。     

基于宏观三角形分区平板壳单元的非线性有限元分析

针对剪切闭锁效应,本文研究了一种基于假设自然应变方法的宏观三角形分区平板壳单元。利用通用有限元软件ABAQUS所提供的用户自定义单元(UEL)和用户自定义材料(UMAT)子程序,本文将宏观三角形分区平板壳单元和基于损伤能释放率的混凝土弹塑性损伤本构模型成功嵌入了ABAQUS的主分析模块。经典试验McNeice双向混凝土板的数值模拟结果表明:宏观三角形分区平板壳单元对于描述板壳结构的非线性损伤行为是行之有效的。     

损伤力学中的能量等效假设及其实验验证

大多数损伤模型在构造受损材料本构方程时所采用的应变或应力等效假设在一般情况下并不能满足热力学理论的基本规则.本文提出的能量等效假设,在弹性、塑性和蠕变损伤等普遍情形均证明了其有效性.同时,能量等效假设配合以应变能密度准则,可以很好地描述穿孔铜薄板试件的破断行为.