基于统一相场理论的早龄期混凝土化-热-力多场耦合裂缝模拟与抗裂性能预测

受水化反应和热量传输等过程影响, 混凝土在养护阶段会发生受约束收缩变形, 并由此在结构内引发较大的拉应力, 而此时混凝土力学性能往往还处于较低水平, 容易导致建造期混凝土结构即出现裂缝等病害. 这种早龄期混凝土裂缝对核安全壳、桥梁隧道、地下结构、水工或海工结构等重大土木工程和基础设施的全生命周期完整性、耐久性和安全性造成严重影响. 为了准确预测早龄期混凝土抗裂性能并量化裂缝演化对混凝土结构行为的不利影响, 亟需开展化-热-力多场耦合环境下的混凝土裂缝建模与抗裂性能分析研究. 针对这一需求, 本工作在前期提出的固体结构损伤破坏统一相场理论基础上, 考虑开裂过程与水化反应、热量传输等之间的相互影响, 建立裂缝相场演化特征(包括基于强度的裂缝起裂准则、基于能量的裂缝扩展准则和基于变分原理的扩展方向判据等)与混凝土水化度和温度之间的定量联系, 提出混凝土化-热-力多场耦合相场内聚裂缝模型, 发展相应的多场有限元数值实现算法并应用于若干验证算例. 数值模拟结果表明, 上述多场耦合相场内聚裂缝模型合理地考虑了水化反应、热量传输、力学行为以及裂缝演化之间的耦合效应, 揭示了早龄期混凝土热膨胀变形和自收缩变形的相互竞争机理, 且分析结果不受裂缝尺度和网格大小等数值参数的影响, 实现了早龄期裂缝演化全过程准确模拟和抗裂性能定量预测, 有望在混凝土结构早龄期裂缝预测和控制方面发挥重要作用.      

固体结构损伤破坏统一相场理论、算法和应用

固体开裂引起的损伤和断裂是工程材料和结构最为普遍的破坏形式.为了防止这种破坏,结构设计首先必须了解裂缝在固体内如何萌生、扩展、分叉、汇聚甚至破碎;更重要的是,还需要准确量化这些裂缝演化过程对于结构完整性和安全性降低的不利影响.针对上述固体结构损伤破坏问题,本工作系统地介绍了笔者提出的统一相场理论、算法及其应用.作为一种...     

基于光滑有限元法的热-弹相场断裂研究

基于相场理论,论文构建了热力耦合作用下热-弹性材料的复杂断裂控制方程,采用光滑有限元法对该模型进行了数值离散;设计编写了相应的Matlab计算程序;开展了热-力载荷下的二维拉伸断裂模拟,将结果和有限元计算结果对比,吻合一致.同时采用该模型开展热冲击下陶瓷板的多裂纹扩展过程模拟,计算结果和实验结果吻合良好,验证了论文方法的有效性.     

基于相场法的周期性多孔结构断裂行为研究

周期性多孔结构具有质量轻、比密度低、比强度高、隔音等优良特点, 同时也能很好地满足结构-功能一体化的需求, 在许多领域具有广泛的应用前景. 目前, 对周期性多孔结构在复杂载荷下的力学响应和断裂行为的研究较少. 采用细观力学和相场方法相结合, 基于二维代表性体积单元RVE模型, 施加能实现比例加载的周期性边界条件, 研究周期性多孔结构在复杂多轴比例加载状态下的裂纹萌生位置、断裂模式、承载极限及其变化规律. 本文的数值模拟结果表明: 首先, 周期性多孔结构在竖直方向拉伸载荷作用下, 裂纹均从孔边萌生并沿水平方向同步扩展; 其次, 在双轴载荷作用下, 随着水平载荷的增加, 结构在竖直方向的极限拉伸载荷逐渐增大; 当双轴拉伸载荷等值时, 结构的抗拉强度达到最大, 此时断裂模式呈现为十字正交型开裂; 最后, 面内剪切应力的引入会导致结构的拉伸强度极限降低, 孔边裂纹的萌生位置和扩展路径发生偏移, 裂纹模式从单S型转变为双弧线型, 裂纹向水平位置上相邻的孔洞扩展. 随着水平载荷的增加, 裂纹模式最终转变为斜裂纹, 从孔边对角线位置萌生并沿着45°方向扩展.      

材料微结构演化的相场模拟

材料的各种宏观性能与其内部的微观结构密切相关,如何通过控制材料微结构的分布来提高其性能指标一直是工程界与学术界广泛关注的课题.由于场变量在界面的突变,传统的基于局部理论的突变界面模型在描述材料微结构演化方面存在一定的困难.基于非局部理论的相场法采用扩散界面的概念来描述界面,避开了理论上描述突变界面的困难,在模拟材料内部任意的组织形态和复杂的微结构演化方面具有独特的优点.论文首先介绍相场法的热力学理论基础,包括自由移动边界问题、扩散界面模型、非局部能量泛函、相场动力学方程及其常用求解方法.然后重点介绍铁电、铁磁和多铁性材料微结构演化的相场模拟,同时简要介绍相场法在软物质和锂离子电池材料微结构演化模拟中的应用,最后给出总结和展望.     

铁磁纳米结构磁化状态及其磁-力耦合效应的相场模拟

基于随时间变化的Ginzburg-Landau(TDGL)方程,建立了模拟铁磁材料磁-力耦合效应的相场模型。从弱解形式出发,推导出了相关控制方程的有限元格式,然后编制程序进行数值求解。由于有限元对复杂边界有良好的适用性,该模型可用于不同形状铁磁材料的畴结构模拟。通过相场模拟,发现铁磁纳米结构中的磁化会形成涡旋结构,与实验观察到的磁化涡旋结构符合较好。由非均匀磁化引起的结构的变形、应力等力学参量都可以通过模拟一并得到。本文结果表明,改变结构形状可以有效控制磁畴结构的形态,适当的外应力可以改变磁畴结构及其对外磁性的大小。     

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。     

高强混凝土热-力响应的断裂相场分析方法研究

高强混凝土(High-Strength Concrete, HSC)的力学性能受温度影响较大,尤其在高温环境下性能衰退剧烈,因此在结构分析中宜采用随温度变化的材料性能参数．断裂相场方法基于Griffith变分断裂准则,无需复杂的裂纹拓展追踪技术便可处理多裂纹的问题,可方便地模拟裂纹的萌生、扩展、分岔及汇合过程．本文采用适宜进行结构断裂分析的断裂相场方法,基于能量泛函变分原理,将温度对混凝土材料弹性模量及断裂能的影响引入断裂相场分析方法中,用于高强混凝土高温环境下的强度和破坏分析．以高温作用下高强混凝土梁三点弯曲试验为算例,进行方法验证,通过与实测结果对比,证实了算法的有效性．     

智能复合材料的化学-力学完全耦合理论及有限元计算

许多智能复合材料例如生物组织和聚合物胶体,都表现出多场耦合行为.目前化学-力学耦合理论属于一个比较新的领域,还不成熟.本文主要研究化学一力学耦合行为,并在ABAQUS软件中进行了数值模拟计算.应用力学平衡方程、离子扩散方程和包含力学-化学耦合因素的的本构关系椎导出了力学-化学耦合的等效积分形式,建立力学-化学耦合的有限元方程.在ABAQUS软件中开发用户单元子程序,进行数值模拟.计算结果表明:力学与化学存在着相互耦合作用,浓度变化能引起固体的变形,同样力学作用也能引起浓度重分布:由于耦合作用,固体的有效性能与扩散性质都发生了改变:力学-化学耦合作用过程实际是机械能与化学能之间能量转换过程;最终,研究体中械能与化学能达到相互平衡状态,且质量守恒.本文的理论和方法可应用于模拟生物组织、粘土等材料的力学-化学耦合行为.     

两种颗粒湍流扩散模型数值模拟气液两相流泄漏扩散的比较

采用相间耦合的欧拉-拉格朗日方法,模拟了装有液化气（丙烷）的容器出现小孔或裂缝时,发生泄漏后的气液两相扩散过程。分别应用随机轨道模型及颗粒群模型来考察湍流对液滴扩散的影响,并与确定性轨道进行了比较。给出了数学物理模型,计算结果与实验数据进行了对比。结果表明：采用随机轨道模型能较好地描述液滴的湍流扩散,适用于有液相蒸发的两相流扩散问题。     

应用内聚力模型研究人牙本质裂纹扩展的升阻能力

论文采用断裂力学中的内聚力模型,结合有限元法研究裂纹沿牙本质小管和垂直于牙本质小管扩展的断裂韧度.数值模拟结果表明牙本质的断裂韧度随着裂纹扩展而增大,表现出上升的阻力曲线(R-curve)特性,但裂纹沿牙本质小管扩展的断裂韧度要大于裂纹垂直于牙本质小管扩展的断裂韧度,表现出各向异性的裂纹扩展阻力曲线性质.同时论文的研究也表明内聚力模型能够准确预测牙本质的裂纹扩展行为.     

金属材料层裂破坏的内聚力模型

为了考虑层裂破坏过程中能量耗散行为,论文把内聚力单元嵌入到连续介质有限元单元之间,从而构建了一个层裂破坏的内聚力模型.随后采用该模型对平板撞击条件下的20号钢层裂实验进行了数值模拟研究,重点讨论了内聚力模型特征参数对计算结果的影响规律.研究结果表明采用指数型损伤演化行为的内聚力模型可以较好地描述层裂破坏过程中的能量耗散行为.利用一发实测自由面速度波剖面对计算结果进行校准,确定内聚力模型特征参数.该特征参数可以用于模拟不同撞击速度下的层裂实验,获得的模拟曲线与实验曲线之间符合程度很好,特别是自由面速度“回跳”后波形振荡周期和幅值与实验结果非常接近,这表明了内聚力模型在描述层裂过程中能量耗散行为方面具有较好适用性,并且其参数也具有很好的可移植性.     

COHESIVE ZONE MODELING OF INTERGRANULAR CRACKING OF INTERMETALLIC COMPOUNDS IN SOLDER JOINTS

为研究焊锡接点金属间化合物微结构对其微观-宏观力学行为的影响,采用Voronoi图算法构造了金属间化合物的晶粒尺度几何模型,通过在晶粒界面配置内聚力界面单元,提出了模拟金属间化合物晶粒界面裂纹起裂、扩展与连通的有限元数值模拟方法。基于该方法,研究了晶粒形状和晶粒界面缺陷对晶界微开裂模式和整体响应的影响,研究了金属间化合物微结构对焊锡接点强度和破坏模式的影响。结果表明,晶粒形状对整体强度影响不大,但对微裂纹开裂模式有影响。当考虑晶界随机缺陷时,强度较低的晶粒界面对整体强度影响较大。金属间化合物层的厚度对焊锡接点强度和破坏模式均有影响,而金属间化合物与焊料界面的粗糙度主要影响焊锡接点的破坏模式。     

页岩气藏压裂缝网扩展数值模拟

为探究页岩气藏水力压裂复杂裂缝网络的形成机理,开展了缝网扩展的数值模拟研究.考虑应力阴影和天然裂缝作用,建立了井筒和裂缝中流体流动模型,利用位移不连续方法求解应力与位移不连续量,然后构建了压力与裂缝宽度的迭代方程,并采用牛顿迭代法求解.通过比较数值解经典模型解析解,验证了模型和迭代解法的正确性.多簇裂缝同步扩展时裂缝间距越小,压裂液分配到各条裂缝越不均匀,靠近井筒跟部的裂缝的分流量越大,从而裂缝宽度越大;考虑天然裂缝作用时,逼近角越小或者应力各向异性越弱,水力裂缝越容易发生转向扩展,裂缝网络越复杂.      

COHESIVE ZONE FINITE ELEMENT-BASED MODELING OF HYDRAULIC FRACTURES

Hydraulic fracturing is a powerful technology used to stimulate fluid production from reservoirs. The fully 3-D numerical simulation of the hydraulic fracturing process is of great importance to the efficient application of this technology, but is also a great challenge because of the strong nonlinear coupling between the viscous flow of fluid and fracture propagation. By taking advantage of a cohesive zone method to simulate the fracture process, a finite element model based on the existing pore pressure cohesive finite elements has been established to investigate the propagation of a penny-shaped hydraulic fracture in an infinite elastic medium. The effect of cohesive material parameters and fluid viscosity on the hydraulic fracture behaviour has been investigated. Excellent agreement between the finite element results and analytical solutions for the limiting case where the fracture process is dominated by rock fracture toughness demonstrates the ability of the cohesive zone finite element model in simulating the hydraulic fracture growth for this case.     

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.     

MODELING CHARGE RELAXATION ON SURFACES OF PARTICLES SUSPENDED IN LIQUID

A general theory on charges relaxation process in particle-fluid systems is introduced in this article. The method to derive analytical solutions for the charge relaxation equation is illustrated, and some respects for this theory are discussed in detail.     

PROGRESSIVE FRACTURE MODELING OF THE FAILURE WAVE IN IMPACTED GLASS

The failure wave has been observed propagating in glass under impact loading since 1991. It is a continuous fracture zone which may be associated with the damage accumulation process during the propagation of shock waves. A progressive fracture model was proposed to describe the failure wave formation and propagation in shocked glass considering its heterogeneous meso-structures. The original and nucleated microcracks will expand along the pores and other defects with concomitant dilation when shock loading is below the Hugoniot Elastic Limit. The governing equation of the failure wave is characterized by inelastic bulk strain with material damage and fracture. And the inelastic bulk strain consists of dilatant strain from nucleation and expansion of microcracks and condensed strain from the collapse of the original pores. Numerical simulation of the free surface velocity was performed and found in good agreement with planar impact experiments on K9 glass at China Academy of Engineering Physics. And the longitudinal, lateral and shear stress histories upon the arrival of the failure wave were predicted, which present the diminished shear strength and lost spall strength in the failed layer.