考虑空间变异性的框架结构可靠度分析方法

空间变异性是结构参数的固有属性,对于工程结构的随机响应和可靠度分析具有重要影响。结合随机场离散的局部平均理论和随机响应分析的摄动随机有限元法,提出一种考虑参数空间变异性的平面框架结构可靠度分析方法,并定量分析了参数空间变异性对结构可靠度的影响规律。首先,考虑随机因素的空间变异性,采用二维线性随机场离散的局部平均理论将平面框架结构的连续随机场离散为一组随机变量,并通过理论推导建立了随机场局部平均间协方差矩阵的二重积分表达式;然后,采用摄动随机有限元法分析结构随机响应及其对基本随机变量的梯度向量,并利用可靠度分析的梯度优化法计算结构可靠指标,从而提出了一种考虑参数空间变异性的平面框架结构可靠度分析方法。分析表明,该方法具有较高的计算精度和计算效率;随机场离散的局部平均理论对相关结构类型不敏感;随着随机场相关偏度和变异性的增大,框架结构的可靠指标逐渐减小,说明结构参数的空间变异性对结构可靠度的影响不容忽视。     

基于一类非局部宏-微观损伤模型的混凝土典型试件力学行为模拟

混凝土是一类典型的准脆性材料, 其受力过程中的非线性分析与裂纹模拟依然是具有挑战性的问题. 经典的断裂力学与损伤力学分别从间断与连续的视角对裂纹拓扑进行了描述, 是早期人们研究固体破坏问题的有力工具. 21世纪以来, 相场理论和近场动力学在预测裂纹的萌生、扩展与非线性分析方面取得了重要的进展. 最近, 结合统一相场理论与近场动力学的基本思想, 发展了一类非局部宏-微观损伤模型. 该模型引入物质点偶的概念来刻画由于变形引起的微细观损伤, 对微细观损伤在作用域中进行加权平均得到定量描述物质不连续程度的拓扑损伤. 通过具有物理机制的能量退化函数, 将拓扑损伤嵌入到连续介质-损伤力学的框架中, 这使得该模型在进行非线性分析的同时可以自然地进行裂纹模拟, 而毋须预设初始裂纹与裂纹扩展路径. 本文考虑细观物理参数的空间变异性, 采用非局部宏-微观损伤模型进行混凝土试件受力全过程的精细化模拟. 通过一维建模标定模型细观参数, 并探讨了细观参数与混凝土材料细观物理-几何特性之间的内在关联, 在此基础上采用二维模型进行精细化分析. 进而, 考察了材料参数空间变异性对混凝土单轴受拉试件和带缺口三点弯曲试件力学行为的重要影响. 本文的研究工作为非局部宏-微观损伤模型细观参数的试验标定与复杂应力状态下混凝土等准脆性材料的非线性力学行为研究提供了有意义的参考.      

开裂孔隙材料渗透率的细观力学模型研究

采用细观力学方法对含随机裂纹网络的孔隙材料渗透性进行研究.开裂孔隙材料渗透性的影响因素包括裂纹网络的密度、连通度、裂纹的开度以及孔隙材料基体渗透性.对于不连通的裂纹网络,该文采用已有的相互作用直推法(interaction direct derivative, IDD)的理论框架,引入裂纹的密度ρ和裂纹开度比b,提出了裂纹夹杂-基体两相复合材料渗透率的IDD理论解.对于部分连通裂纹网络,考虑局部裂纹团内部各个裂纹对有效渗透率的相互放大作用,引入裂纹网络的连通度f,定义与连通度相关的水平裂纹密度ρ~h,按照增量法将表征连通特征的水平裂纹嵌入有效基体中,以此方式来考虑裂纹夹杂间的相互搭接,提出了考虑裂纹连通特征的扩展IDD理论解,分别考虑了基体材料渗透率K_m、裂纹密度ρ、裂纹开度比b以及与连通度f相关的ρ~h.最后通过对有限区域内含随机裂纹网络孔隙材料渗透过程的有限元模拟分别验证了不连通和部分连通裂纹网络扩展IDD模型的适用性:(1)当裂纹不连通时,由于基体对流体渗透的阻隔作用,裂纹的开度对有效渗透率影响不大;(2)当裂纹部分连通时,裂纹密度分别小于1.1 (无关联裂纹网络,分形维数为2.0)、1.2 (关联裂纹网络,分形维数为1.75)时,扩展IDD模型能够很好地估计开裂孔隙材料的有效渗透率,但是随着裂纹进一步扩展,最大裂纹团主导作用凸显,扩展IDD模型不再适用.     

考虑夹杂相互作用的复合陶瓷夹杂界面的断裂分析

复合材料中夹杂含量较高时,夹杂间的相互作用能显著改变材料细观应力应变场分布,基体和夹杂中的平均应力应变水平也会发生较大变化,导致复合材料强度等力学性能发生显著变化. 为修正单一夹杂模型运用在实际材料中的误差,基于相互作用直推估计法,建立一种考虑含夹杂相互作用的夹杂界面裂纹开裂模型. 首先根据相互作用直推估计法,得到残余应力和外载应力共同作用下夹杂中的平均应力,再计算无限大基体中相同的夹杂达到相同应力场时的等效加载应力,将此加载应力作为含界面裂纹夹杂的等效应力边界条件,在此边界条件下求得界面裂纹尖端的应力强度因子,进而得到界面裂纹开裂的极限加载条件,并分析了夹杂弹性性能、含量、热残余应力、夹杂尺寸等因素对界面裂纹开裂条件的影响. 结果表明,方法能够有效修正单夹杂模型运用在实际材料中的误差,较大的残余应力对界面裂纹开裂有重要的影响,夹杂刚度的影响并非单调且比较复杂;在残余应力较小时,降低柔性夹杂刚度或者增大刚性夹杂刚度都有利于提高材料强度;扩大夹杂尺寸将导致裂纹开裂极限应力显著降低,从而降低材料强度.      

金属材料疲劳裂纹扩展机制及模型的研究进展

裂纹萌生、扩展和断裂行为及其与材料本身和外部因素的关联一直是工程与科学界的重要研究课题。本文总结了影响疲劳裂纹扩展的多种因素,综述了高周疲劳裂纹扩展的唯象模型和理论模型,以及低周和超高周疲劳裂纹扩展模型的新进展(包括基于能量的和考虑概率的)。综合前述模型优缺点,提出了一种基于单轴拉伸性能的新型疲劳裂纹扩展模型(iLAPS)。分析表明,新模型iLAPS与多种常用材料的疲劳裂纹扩展试验数据吻合较好,并且能够准确地给出不同应力比下的裂纹扩展速率曲线。最后,对先进材料抗疲劳开裂性能的高通量表征及运维技术进行了展望。     

构件三维断裂与疲劳力学及其在航空工程中的应用

本文总结评述了断裂力学由二维理论到三维理论的发展历程。介绍了三维裂纹端部场的K-Tz和J-Tz双参数描述、K-T-Tz和J-QT-Tz三参数描述,以及三维弹塑性断裂准则和三维疲劳裂纹闭合模型等。通过具体的实例介绍了三维断裂理论在航空结构损伤容限分析中的应用。正确考虑离面约束和面内约束对裂纹端部场以及材料断裂和疲劳裂纹扩展性能的影响,能够发展航空结构损伤容限可预测设计能力。     

开裂孔隙材料渗透率的细观力学模型研究

采用细观力学方法对含随机裂纹网络的孔隙材料渗透性进行研究.开裂孔隙材料渗透性的影响因素包括裂纹网络的密度、连通度、裂纹的开度以及孔隙材料基体渗透性.对于不连通的裂纹网络,该文采用已有的相互作用直推法(interaction direct derivative,IDD)的理论框架,引入裂纹的密度$\rho$和裂纹开度比$b$,提出了裂纹夹杂$\!$-$\!$-$\!$基体两相复合材料渗透率的IDD理论解.对于部分连通裂纹网络,考虑局部裂纹团内部各个裂纹对有效渗透率的相互放大作用,引入裂纹网络的连通度$f$,定义与连通度相关的水平裂纹密度$\rho^{h}$,按照增量法将表征连通特征的水平裂纹嵌入有效基体中,以此方式来考虑裂纹夹杂间的相互搭接,提出了考虑裂纹连通特征的扩展IDD理论解,分别考虑了基体材料渗透率$K_{m}$、裂纹密度$\rho $、裂纹开度比$b$以及与连通度$f$相关的$\rho ^{\rm h}$.最后通过对有限区域内含随机裂纹网络孔隙材料渗透过程的有限元模拟分别验证了不连通和部分连通裂纹网络扩展IDD模型的适用性:(1)当裂纹不连通时,由于基体对流体渗透的阻隔作用,裂纹的开度对有效渗透率影响不大;(2)当裂纹部分连通时,裂纹密度分别小于1.1(无关联裂纹网络,分形维数为2.0)、1.2(关联裂纹网络,分形维数为1.75)时,扩展IDD模型能够很好地估计开裂孔隙材料的有效渗透率,但是随着裂纹进一步扩展,最大裂纹团主导作用凸显,扩展IDD模型不再适用.      

正交异性板复合型裂纹相对周向应力断裂准则

采用相对周向应力为断裂参数，提出正交异性板任意方向的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的最大相对向应力断裂,准则，应用本准则确定开裂方向角时，能较合理地考虑材料特性的影响。     

随机疲劳裂纹扩展新模型

疲劳裂纹扩展的随机特性是工程结构可靠性分析和制定检查、维修计划野性 须考虑的因素,提出疲劳裂纹随机扩展模型,不仅考虑了时间参数影响,而且还考虑了初始裂纹尺寸分布影响。模型适应范围广,由于采用了一次二阶矩近似方法简化随机过程计算,便于工程应用。     

一种随机裂纹结构的裂纹扩展路径分析方法

裂纹结构中存在大量不确定性因素,如裂纹长度、材料性质、外部载荷等,裂纹扩展路径的不确定性分析对研究随机裂纹结构损伤和断裂的力学特性并预测其性能及可靠性具有重要意义。本文提出了一种适应于混合载荷模式下随机裂纹结构的裂纹扩展路径分析方法。该方法考虑了裂纹长度、材料性质和外部载荷等的随机性,并通过蒙特卡洛方法对随机参数空间进行采样。采用比例边界有限元方法计算结构应力强度因子,进而模拟单次裂纹扩展路径。在此基础上,通过概率分析方法获得随机裂纹结构中裂纹扩展路径的统计特性。最后给出了两个数值算例验证了本文方法的有效性。     

复杂应力下脆性岩石材料的微裂纹损伤特性

基于无限大体深埋平片状椭圆形裂纹的变形场及其扩展条件,分别推导了脆性岩石材料内部具有任意空间取向的单个张开型或闭合型椭圆形微裂纹及其扩展引起的附加柔度张量;考虑微裂纹系统对材料变形的影响,引入了概率密度函数,得到了任意应力状态下脆性岩石材料的宏细观损伤模型;分析了椭圆形微裂纹的短长轴比率对材料损伤的影响.计算结果显示:材料损伤随着短长轴比率的增大而增大,短长轴比率对材料损伤的影响会随着载荷的增大而提高.将本文模型应用于混凝土的单轴拉伸和花岗岩的单轴压缩,结果表明本文模型能够对实验现象给予很好地解释.     

混凝土梁三点弯曲断裂模式转变的近场动力学模拟

混凝土结构的宏观损伤开裂与其非均质微观结构紧密相关。底部带切口的混凝土梁在进行三点弯曲破坏时,随着切口的位置由梁中向梁边转移,裂纹由从切口处萌生并生长转变为从梁的中部萌生。本文采用半均质化近场动力学（IH-PD）模型和全均质化近场动力学（FH-PD）模型,分别对混凝土梁三点弯断裂问题进行模拟研究。IH-PD模型根据混凝土中骨料体积分数随机生成不同键的组合方式,将微观尺度的非均质性引入模型,无需详细描绘骨料形状和分布即可考虑混凝土非均质性。本文将IH-PD与FH-PD模型得到的断裂模式随切口位置的变化关系,与实验结果对比,分析微观结构对混凝土梁开裂的影响;基于非均质材料特征尺寸与IH-PD模型网格参数的相关性,模拟骨料大小对混凝土梁断裂模式的影响;另外,通过在IH-PD模型中设置预损伤的方式引入随机分布的孔隙,探讨孔隙率对混凝土断裂模式的影响。     

基于COMSOL的脆性材料相场断裂模型

相场法通过一系列微分方程描述材料断裂过程,避免了繁琐的裂纹面追踪,在模拟裂纹的萌生、扩展和分叉等方面具有优势。介绍了基于相场法的脆性材料断裂模型,给出了脆性材料断裂问题相场法控制方程的推导过程,提出了基于分步迭代法在COMSOL中实现脆性材料相场断裂模型的方法。再现了脆性材料单元模型和单边缺口平板受拉及受剪作用下的开裂过程,模拟的裂纹扩展路径与已有文献的结果相近,验证了程序的合理性。针对脆性材料相场断裂模型包含的诸多参数,采用Morris法对影响荷载-位移关系的脆性材料断裂模型参数进行了全局敏感性分析,结果表明,杨氏模量(E)、临界能量释放率(G_c)和位移增量(Δu_x)是影响模型荷载-位移关系输出结果的主要参数。基于COMSOL实现的相场断裂模型能够有效模拟脆性材料的裂纹萌生和扩展断裂过程,模型参数E,G_c和Δu_x对材料断裂性能的提升或模型参数反演效率的提高具有重要影响。     

燃气涡轮发动机关键部件疲劳小裂纹研究进展

疲劳小裂纹扩展作为疲劳开裂过程中的关键阶段之一,显著影响着材料和结构的疲劳断裂过程.因具有速率波动和扩展路径偏转等特点,小裂纹效应给材料和结构疲劳寿命预测结果带来了不确定性,从而影响燃气涡轮发动机等机械结构的服役安全.本文围绕燃气涡轮发动机关键部件材料的疲劳小裂纹扩展问题,首先总结了当前疲劳小裂纹的扩展规律及其对疲劳寿命的影响规律;其次,针对先进燃气涡轮发动机关键部件常用的多晶合金和单晶合金,揭示了疲劳小裂纹的萌生和扩展机理;再次,对疲劳小裂纹扩展模型进行了总结,且指出了各模型的优缺点;从次,重点针对先进燃气涡轮发动机热端部件的工作环境,综述了热腐蚀/氧化介质中的疲劳小裂纹扩展行为和模型;最后,对当前疲劳小裂纹相关研究进行了总结,且结合燃气涡轮发动机领域提出了未来的研究趋势与方向.本文以期为先进燃气涡轮发动机关键部件的设计、安全评估和寿命预测提供理论知识和科学方法.     

任意梯度分布功能梯度涂层平面裂纹分析

提出可以分析任意梯度功能梯度材料的分层模型,并采用该模型研究功能梯度涂层平面裂纹问题.采用Fourier变换和传递矩阵法将该混合边值问题化为奇异积分方程组,通过数值求解获得应力强度因子.考察了分层模型的有效性,以及材料梯度变化形式、结构几何尺寸和材料梯度参数对裂纹应力强度因子的影响,发现结构几何尺寸、材料梯度变化形式、...     

基于多因素的焊接结构疲劳裂纹扩展速率分析

以Donahue等提出的疲劳裂纹扩展速率计算模型为基础,通过引入形状系数、张开比和残余应力等参数,建立了适用于焊接结构的疲劳裂纹扩展速率计算模型,分析了多种因素对焊接结构疲劳裂纹扩展速率的影响规律。结果表明,焊板厚度和焊缝余高的变化均会对焊接结构疲劳裂纹的扩展速率产生影响,在对焊接结构表面形状进行设计时应保有一定的焊缝余高;有效应力比的增大会降低焊接结构疲劳裂纹的扩展速率,且裂纹深度的变化不会改变有效应力比对焊接结构疲劳裂纹扩展速率的影响;残余应力的增大会提高焊接结构疲劳裂纹的扩展速率,且残余应力对疲劳裂纹扩展速率的促进作用随着裂纹深度的增加而增大,在对焊接结构的疲劳性能进行设计时须考虑残余应力对结构性能的影响。     

考虑T-stress的非正态随机参数疲劳裂纹扩展寿命的可靠性分析

基于断裂力学的疲劳裂纹扩展寿命问题的研究常常将裂纹尖端应力展开项的高次项忽略,引起了裂纹扩展模拟的误差,本文考虑高次项T-stress对裂纹扩展角的影响,对裂纹扩展过程做了数值模拟,结果显示相同裂纹扩展长度下,考虑T-stress会延长裂纹扩展寿命。文章首先采用修正的Paris-Erdogan 公式计算了两端承受均布拉伸载荷的边缘斜裂纹板的疲劳裂纹扩展寿命,裂纹扩展方向采用两参数修正的最大拉应力准则。由于结构尺寸,材料特性和载荷等因素具有不确定性,导致疲劳裂纹扩展过程带有一定的随机性,本文以材料属性和载荷为随机变量,在随机有限元法的基础上,结合计算可靠度的四阶矩法,Edgeworth级数展开方法,提出随机参数服从任意分布时的结构疲劳裂纹扩展寿命可靠度的计算方法。分析了参数为非正态分布时的平板裂纹扩展寿命可靠度随裂纹扩展的变化过程。本文方法可预测工程中板裂纹的扩展行为,以及预测裂纹板的可靠度。     

中间层厚度对三明治结构中I型断裂能量释放率的影响研究

三明治结构作为载荷传递和连接元件,广泛应用于航空航天、材料表征、柔性电子等领域.了解其断裂行为和特点能为三明治结构连接件极限载荷的设计提供理论指导.基于改良弹性地基理论模型,本文提出了一种计算能量释放率的新理论模型,模型中考虑中间层厚度对三明治结构I型断裂能量释放率的影响.结果表明,中间层厚度对三明治结构I型断裂的影响存在两个部分:中间层剪切力的影响及中间层引起结构刚度增大的影响.当无量纲中间层厚度取最大值2时,传统模型与有限元计算结果存在70%以上的误差;采用本文的模型可以极大地提高精度,将误差降到5%以内.相比改良弹性地基理论只适用于中间层厚度较小的情况,本理论模型的适用范围更广.此外,利用本模型,本文选取了两个几何参数(中间层厚度和裂纹初始长度)和一个材料参数(模量比)进行研究.讨论了剪切效应对结构几何和材料参数的敏感性.在定载荷的基础上,讨论了几何和材料参数对能量释放率的影响;并在假定结构断裂韧性不变的基础上,得到了几何和材料参数对三明治结构临界载荷的影响规律.     

EFFECT OF INTERLAYER THICKNESS ON THE MODE I FRACTURE ENERGY RELEASE RATE OF SANDWICH STRUCTURE$^{\bf 1)}$

三明治结构作为载荷传递和连接元件,广泛应用于航空航天、材料表征、柔性电子等领域. 了解其断裂行为和特点能为三明治结构连接件极限载荷的设计提供理论指导. 基于改良弹性地基理论模型,本文提出了一种计算能量释放率的新理论模型,模型中考虑中间层厚度对三明治结构 I 型断裂能量释放率的影响. 结果表明,中间层厚度对三明治结构 I 型断裂的影响存在两个部分：中间层剪切力的影响及中间层引起结构刚度增大的影响. 当无量纲中间层厚度取最大值 2 时,传统模型与有限元计算结果存在 70% 以上的误差;采用本文的模型可以极大地提高精度,将误差降到 5% 以内. 相比改良弹性地基理论只适用于中间层厚度较小的情况,本理论模型的适用范围更广. 此外,利用本模型,本文选取了两个几何参数 (中间层厚度和裂纹初始长度) 和一个材料参数 (模量比) 进行研究. 讨论了剪切效应对结构几何和材料参数的敏感性. 在定载荷的基础上,讨论了几何和材料参数对能量释放率的影响;并在假定结构断裂韧性不变的基础上,得到了几何和材料参数对三明治结构临界载荷的影响规律.     

粉末冶金材料各向异性连续型损伤模型研究

在采用微裂纹扩展区描述脆性材料损伤状态的基础上,通过引入颗粒度大小和微裂纹概率分布密度函数来研究粉末冶金材料特征体积单元的损伤演化.同时结合Hill自洽模型采用空间混合平均的方法,可考虑粉末冶金材料的微结构特征及微裂纹间相互作用的影响,可描述粉末冶金类材料的各向异性连续型损伤.