多孔材料塑性极限载荷及其破坏模式分析

运用塑性力学中的机动极限分析理论，研究韧性基体多孔材料的塑性极限承载能力和破坏模式。以多孔材料的细观结构为研究对象，将细观力学中的均匀化理论引入到塑性极限分析中，并结合有限元技术，建立细观结构极限载荷的一般计算格式，并提出相应的求解算法。数值算例表明：细观孔洞对材料的宏观强度影响明显；在单向拉伸作用下，孔洞呈现膨胀扩大规律；多孔材料破坏源于基体塑性区的贯通。     

复合材料中的渐近均匀化方法

本文将非均质弹性体的渐近均匀化方法应用于复合材料的宏观与细观分析之中。该方法基于平均化的思想，将复合材料视作由周期性的细观结构所构成，其场变量依赖于宏观和细观两个尺度的坐标变量而变化。通过建立位移和应力的渐近表达式，推导出关于周期性基元的细观平衡方程和细观本构关系，并与有限元数值方法相结合，得到材料的宏观等效性能和细观应力分布。对典型算例的分析，反映出该方法的有效性及准确性。     

复合材料应力分析的均匀化方法

建立了基于均匀化理论的确定复合材料结构应力场的方法．其实质是用均质的宏观结构和非均质的具有周期性分布的细观结构描述原结构；将力学量表示成关于宏观坐标和细观坐标的函数，并用细观和宏观两种尺度之比为小参数展开，用摄动技术将原问题化为一细观均匀化问题和一宏观均匀化问题．这两个问题的解确定了包含等效位移和一阶近似位移的位移场，由此获得应力场．利用该方法给出了圆柱形孔隙材料和单向纤维复合材料在单向拉伸时的应力场以及空隙材料简支梁的局部应力场，说明了该方法的有效性     

金属基纳米复合材料等效弹性模量的均匀化方法数值模拟

均匀化理论利用位移场双尺度渐近展开建立有限元列式，本文将其与有限元通用程序相结合，应用于金属基复合材料的弹性本构数值模拟。通过对不同尺度增强相金属基复合材料等效模量的数值模拟，考察了均匀化方法的适用情况。数值计算结果表明，对常规尺度增强相金属基复合材料，均匀化方法可以较准确地预测其等效弹性模量；对纳米增强相金属基复合材料，该方法仍可给出较好的预测，但存在某种程度的系统偏差。通过对纳米尺度增强机理的分析讨论，认为纳米增强相与基体材料问的界面效应可能有别于连续介质假设，指出可以考虑采用离散原子-连续介质耦合模型改进数值模拟结果。     

用均匀化理论分析蜂窝结构的等效弹性参数

在线弹性范围内,根据均匀化理论,并结合有限元方法推导出适用于二维周期性结构的均匀化的有限元格式（Homo FEM）,计算出不同相对密度下的规则蜂窝结构的等效弹性模量Ee和泊松比νe.同时,利用蜂窝结构的代表胞元模型,用常规的有限元方法（FEM）模拟计算出相应的等效弹性参数.最后将两种数值计算结果与己有的理论公式进行了比较和分析讨论.结果表明:在考察的相对密度全场范围内（0～0.4）,HOmO FEM得到的蜂窝结构的 Ee和νe 与 FEM使用平面实体单元模拟计算得到的结果一致吻合,反映出 Homo FEM数值方法的客观准确性和可行性.而 Gibson公式和 W-K得到的等效弹性模量值 Ee只是在较小相对密度的情况下（小于0.15）与数值计算结果吻合.当结构的相对密度较大时,必须考虑胞棱附近区域由应力集中导致的复杂的应力和应变分布的影响.     

渐近均匀化理论预报缝纫复合材料弹性性能

基于缝纫复合材料的结构特征,假定其具有周期性细观结构.利用渐近均匀化方法并结合摄动技术建立一系列控制方程,考虑由于缝纫扰动造成的材料的非均匀分布,由此确定缝纫复合材料的宏观等效性能.已有的试验结果相比较,本文预报结果与试验吻合较好.研究发现,缝纫造成了层合板刚度的下降,在面内方向缝纫密度越大,刚度降低越明显.缝纫产生的纤维变形区的宽度增加对刚度有利,纤维变形区的长度对拉伸刚度影响不大.并对缝纫参数对缝合板性能的影响进行了预报,为实际工程问题提供了预测材料性能的方法.     

颗粒增强复合材料的屈服极限

基于渐近均匀化方法,导出了颗粒增强复合材料的屈服准则,给出了初始屈服应力的解析表达式。因为颗粒增强体的弹性模量远比弹塑性基体的弹性模量高,这个模量差在增强体和基体中产生了装配刚度。解局部问题可以得到该装配刚度。从屈服应力的表达式可以看出,增强体和基体两者的平均装配刚度和剪切模量之比决定了屈服应力的提高程度。给出了两个数值算例。采用菱形十二面体单胞求解了局部问题。取单胞形状为菱形十二面体的优点是增强体的体积比可以高达74%。     

基于多尺度特征应变均匀化计算HCP多晶体塑性

结合基于位错密度的晶体塑性模型与特征应变均匀化方法来分析HCP晶体结构材料的力学行为,拟开发一种计算模型用于有效捕捉以及预测微观与结构尺度的裂纹产生。首先,与传统的晶体塑性有限元相比,该多尺度模型可以提高计算效率并同时保持微观尺度的捕捉精度。其次,将模型与试验结果的差值为优化目标,在满足物理学定义的条件下得到合理的材料参数。最终,结构尺度的模拟显示该模型可以获取在结构尺度与微观晶粒尺度的潜在裂纹生长区域。     

非协调元在复合材料安定下限分析中的应用

采用应力函数法,结合均匀化理论和应变法,在细观层次上研究了复合材料的极限和安定分析,获取复合材料代表性体积元在载荷加载历史未知下的容许承载域。利用8节点非协调等参元离散结构,获取弹性应力场和自平衡残余应力场,建立复合材料在细观层次上安定下限的优化格式。在满足计算精度的同时,大大降低了优化规模。以周期性纤维增强金属基复合材料为例,验证了该单元在安定下限分析中的有效性和可靠性。     

STRENGTH PROPERTIES OF JOINTED ROCK MASSES BASED ON THE HOMOGENIZATION METHOD

This paper aims to determine the strength properties of jointed rock masses by means of the homogenization method.To reflect the microstructure of jointed rock masses,a representative element volume (R...     

PLASTIC LIMIT ANALYSIS OF DUCTILE COMPOSITE STRUCTURES FROM MICRO-TO MACRO-MECHANICAL ANALYSIS

The load-bearing capacity of ductile composite structures comprised of periodic composites is studied by a combined micro/macromechanicai approach. Firstly, on the microscopic level, a representative volume element （RVE） is selected to reflect the microstructures of the composite materials and the constituents are assumed to be elastic perfectly-plastic. Based on the homogenization theory and the static limit theorem, an optimization formulation to directly calculate the macroscopic strength domain of the RVE is obtained. The finite element modeling of the static limit analysis is formulated as a nonlinear mathematical programming and solved by the sequential quadratic programming method, where the temperature parameter method is used to construct the self-stress field. Secondly, Hill＇s yield criterion is adopted to connect the micromechanicai and macromechanical analyses. And the limit loads of composite structures are worked out on the macroscopic scale. Finally, some examples and comparisons are shown.     

A LOWER BOUND LIMIT ANALYSIS OF DUCTILE COMPOSITE MATERIALS

The plastic load-bearing capacity of ductile composites such as metal matrix composites is studied with an insight into the microstructures. The macroscopic strength of a composite is obtained by combining the homogenization theory with static limit analysis, where the temperature parameter method is used to construct the self-equilibrium stress field. An interface failure model is proposed to account for the effects of the interface on the failure of composites. The static limit analysis with the finite-element method is then formulated as a constrained nonlinear programming problem, which is solved by the Sequential Quadratic Programming （SQP） method. Finally, the macroscopic transverse strength of perforated materials, the macroscopic transverse and off-axis strength of fiber-reinforced composites are obtained through numerical calculation. The computational results are in good agreement with the experimental data.     

类桁架夹层板的等效弹性常数研究

从应变能等效出发,将具有周期性分布的夹层板的类桁架夹芯与各向异性连续材料等效,给出了相应的宏观等效弹性常数,进而用有限元方法计算了实际夹层板和等效夹层板的结构响应,用一个算例证明了该文方法的有效性.通过对类桁架夹芯的等效弹性常数的计算,结果表明该文方法可以得到较为准确的等效弹性常数,且较其它类型的均匀化方法大大降低了计算量.     

基于双剪统一强度理论的厚壁圆筒塑性极限载荷分析

应用双剪统一强度理论,考虑材料的拉压异性和同性,推导了在内压和轴力联合作用下的厚壁圆筒的塑性极限载荷表达式在该表达式中,当其系数取不同的值时,就能得到按Tresca屈服准则、线性逼近的Mises屈服准则和双剪应力屈服准则进行计算的结果.     

Micro/macromechanical plastic limit analyses of composite materials and structures

The load-bearing capacities of ductile composite materials and structures are studied by means of a combined micro/macromechanics approach. Firstly, on the microscopic scale, the aim is to get the macroscopic strength domains by means of the homogenization theory of micromechanics. A representative volume element (RVE) is selected to reflect the microstructures of the composite materials. By introducing the homogenization theory into the kinematic limit theorem of plastic limit analysis, an optimization format to directly calculate the limit loads of the RVE is obtained. And the macroscopic yield criterion can be determined according to the relation between macroscopic and microscopic fields. Secondly, on the macroscopic scale, by introducing the Hill's yield criterion into the kinematic limit theorem, the limit loads of orthotropic structures such as unidirectional fiber-reinforced composite structures are worked out. The finite element modeling of the kinematic limit analysis is deduced into a nonlinear mathematical programming with equality-constraint conditions that can be solved by means of a direct iterative algorithm. Finally, some examples are illustrated to show the application of the present approach. Project supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 19902007), the National Foundation for Excellent Doctoral Dissertation of China (No. 200025), the Fund of the Ministry of Education of China for Returned Oversea Scholars and the Basic Research Foundation of Tsinghua University.     

含局部减薄弯头塑性极限载荷的数值分析

局部减薄是一种压力管道表面常见的体积型缺陷，它不仅会降低管道的承载能力，而且还可能引起管道破坏，导致严重的事故．采用数值分析方法，对内压和面内弯矩作用下含局部减薄弯头的极限载荷进行了研究，分析了载荷组合、缺陷形状、位置、尺寸对弯头极限承载能力的影响，讨论了导致弯头破坏的典型失效模式．提出了含局部减薄缺陷弯头的塑性极限载荷工程估算式．计算结果为含缺陷弯头的安全评定提供了理论依据．     

用损伤理论方法预测铝合金薄板成型极限

应用各向异性损伤理论研究2024-T3铝合金薄板的成形极限,通过构造有限元单胞模型预测薄板结构的极限应变.单胞模型由两相材料组成:铝合金基体和金属强化物.基体采用全耦合弹塑性-损伤本构方程描述,而金属强化物则视为弹脆性材料.采用所提出的缩颈准则,得到了双轴拉伸状态下铝合金薄板的极限应变,和实验结果比较两者吻合较好.研究结果揭示有限元单胞模型可以提供铝合金的细观损伤机理信息,当忽略材料的损伤影响,采用金属薄板成型理论的研究结果将过高估计薄板的极限应变.     

内压作用下弯管的塑性极限载荷分析

在变壁厚椭圆截面弯管应力分析的基础上,运用Tresca 和von Mises 屈服准则,对承受内压作用的钢制弯管进行了极限载荷分析,推导出考虑弯管截面壁厚变化和弯管椭圆度的变壁厚椭圆弯管的塑性极限压力计算式. 弯管的极限载荷随着弯管的壁厚和弯管的椭圆度的不同而变化.