基于一类非局部宏-微观损伤模型的裂纹模拟

结合近场动力学和统一相场理论的基本思想, 最近提出了一类非局部宏-微观损伤模型, 为固体裂纹扩展模拟提供了新途径. 本文在此基础上改进了微观损伤准则, 并给出损伤的$\bar{\lambda}-\ell$语言以刻画固体破坏过程中位移场的不连续程度. 在改进模型中, 首先根据两物质点(即物质点对)之间的变形量, 基于相对临界伸长量的历史最大超越程度, 给出表征物质键性能退化的微细观损伤. 进而, 对影响域内的物质键损伤进行空间局部加权平均, 获得宏观拓扑损伤. 通过引入能量退化函数, 建立基于能量的损伤与宏观拓扑损伤之间的关系, 由此将其嵌入连续损伤力学基本框架, 形成了问题求解的基本方程. 该模型是一类非局部化模型, 可采用有限单元法进行离散求解, 避免了经典局部损伤力学所面临的网格敏感性问题. 文中, 进一步将其应用于具有强非线性回弹特性的裂纹扩展模拟问题. 实例分析表明, 本文方法不仅可以把握裂纹扩展模式, 而且能够定量刻画裂纹扩展过程中的载荷-变形关系. 最后指出了需要进一步研究的问题.      

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.      

基于结构化变形驱动的非局部宏-微观损伤模型的真Ⅱ型裂纹模拟

Ⅱ型载荷作用下裂纹变形模式也为Ⅱ型的破坏问题称为真Ⅱ型破坏.准确定量地把握真Ⅱ型破坏的全过程是具有挑战性的问题.本文采用结构化变形驱动的非局部宏-微观损伤模型对真Ⅱ型破坏问题进行了模拟.根据结构化变形理论将点偶的非局部应变分解为弹性应变与结构化应变两部分,进而利用Cauchy-Born准则与结构化应变计算点偶的结构化正伸长量.在本文中,结构化应变取为非局部应变的偏量部分.当点偶的结构化正伸长量超过临界伸长量时,微细观损伤开始在点偶层次发展.将微细观损伤在作用域中进行加权求和得到拓扑损伤,并通过能量退化函数将其嵌入到连续介质-损伤力学框架中进行数值求解.进一步地,本文采用Gauss-Lobatto积分格式计算点偶的非局部应变,将积分点数目降低到4个,显著降低了前处理和非线性分析的计算成本.通过对Ⅱ型加载下裂尖应变场的分析揭示了采用偏应变作为结构化应变的原因.对两个典型真Ⅱ型破坏问题的模拟结果表明,本文方法不仅可以把握Ⅱ型加载下的真Ⅱ型裂纹扩展模式,同时可以定量刻画加载过程中的载荷-变形曲线,且不具有网格敏感性.最后指出了需要进一步研究的问题.     

SBFEM与非局部宏微观损伤模型相结合的准脆性材料开裂模拟

混凝土是一种被广泛应用于土木和水利工程中的准脆性材料, 在各种内外部因素的作用下, 开裂是混凝土结构最为普遍的破坏形式, 准确模拟结构的开裂过程, 对于结构的安全评估至关重要. 将比例边界有限元与非局部宏微观损伤模型相结合提出一种准脆性材料开裂模拟新方法. 以比例边界有限元子域的比例中心作为物质点, 通过两比例中心(物质点对)之间的物质键的正伸长率来定义微细观损伤, 将某点影响域内物质键的微细观损伤加权平均得到该点的宏观拓扑损伤. 再引入能量退化函数, 将宏观拓扑损伤嵌入到比例边界有限元的基本框架中. 充分利用比例边界有限元网格允许存在悬挂节点的优势, 采用四叉树网格离散技术进行快速、高质量的多级网格划分与过渡. 通过一个I型开裂与一个混合型开裂的两个典型算例, 验证了该方法可捕获结构裂纹扩展路径与荷载变形曲线. 与现有的方法相比, 本文的损伤模型可得到更准确的局部开裂损伤带, 结果更为合理, 且具有更高的计算精度和计算效率. 当损伤过程区网格尺寸小于影响域半径的1/5时, 计算结果不存在网格敏感性问题.      

准脆性材料损伤破坏的细宏观联结分析

准脆性材料在外力作用下不仅产生应力与变形,而且还会内部缺陷或微裂纹随着变化和出现宏观裂缝扩展.根据材料的微细观测,通过固体力学原理建立模型分析其微裂纹与宏观裂缝之间的关联.材料中宏观裂缝端部通常存在损伤区,且在该区内存在许多相对微小缺陷或微裂纹,从而使得材料局部变形增加而力量减弱.若把该损伤带视为裂缝一部分,那么在该虚拟裂缝两岸上将存在分布黏聚力;虚拟裂缝两岸的相对位移将是微裂纹区变形及扩展的综合体现.为此,对包含有细观裂纹的代表性体积单元进行力学计算,然后将其嵌入到宏观裂缝端部损伤带的变形计算中,以探寻固体失效的细观与宏观尺度力学分析的联结,并与实测数据相对比.     

考虑应变率效应的混凝土随机损伤本构模型研究

混凝土材料组分复杂且具有随机分布的特点,其受力力学行为不可避免地存在非线性和随机性.同时,在动力荷载作用下,混凝土材料具有不可忽视的率敏感性.为了综合反映混凝土受力力学行为中的非线性、随机性与率敏感性,本文从对材料的纳-微观裂纹扩展分析入手,引入速率过程理论描述纳观裂纹的扩展速率,并研究了对应的能量耗散过程.在此基础上通过裂纹层级模型将纳观分析推演到微观尺度,建立了微观能量耗散的基本表达式.进而与微-细观随机断裂模型相结合,形成了混凝土纳-微-细观随机损伤本构模型.同时,基于速率相关势垒的分析,揭示了动力强度的提高源自加载速率和原子键断裂速率的竞争机制.据此,假定微裂纹间相互作用与应变率比值的相关关系以建立微弹簧能量耗散速率与应变率的联系,实现了从静力本构模型向动力本构模型的扩展.数值算例表明,建议模型能够同时反映混凝土材料力学行为中的非线性、随机性和率敏感性.最后通过与相关试验结果的对比,验证了建议模型的正确性.     

复合材料刚度性能表征的协同损伤力学模型

针对复合材料层合板的弥散型损伤,提出一个刚度性能表征的协同损伤力学模型. 该模型兼顾了微观物理损伤响应和宏观材料刚度性能表征. 从微观角度,建立细观RVE 模型求解裂纹表面张开位移和滑开位移,以此定义损伤张量,并在宏观上通过对材料应变和损伤表面位移进行均匀化处理,建立单向板或层合板的损伤刚度矩阵和损伤张量之间的联系. 以基体裂纹为例,详细分析并建立了横向裂纹和纵向裂纹的损伤本构. 计算了[±θ/90₄]_S 铺层层合板中基体横向裂纹对刚度性能的影响,结果表明该方法能够准确地预测复合材料层合板由损伤导致的刚度性能衰减.      

脆性固体变形响应与裂纹扩展的同步试验观测及其定量分析

通过对砂浆试样的材料变形响应和表面裂纹图象的同步观测实验研究、试样表面细观裂纹萌生和裂纹扩展图象信息的采集和量化方法的研究，探讨脆性固体材料的损伤状态与其宏观力学响应之间的关联。用本文提出的实验及其分析处理方法，可以得到砂浆、混凝土、岩石一类脆性固体材料在承载和变形过程中，表面裂纹扩展的定量结果。试样的表面裂损度代表了砂浆试样在承载和变形过程中表面裂纹扩展的情况，也在一定程度上反映了试样内部的损伤情况。     

基于近场动力学理论的准脆性材料的本构力函数的构建

近场动力学理论(PD)是基于非局部思想的连续介质力学新理论,用于研究材料破坏问题。根据准脆性材料破坏的线性和非线性的力学行为,在初始微观弹脆性材料(PMB)的本构力函数中引入了键的损伤模型,将键的断裂过程分成了线性的弹性变形阶段和非线性的损伤变形阶段,以此构建了准脆性材料的本构力函数的基本形式。以典型的准脆性材料为例构建了其本构力函数,通过在压缩载荷下对含预制不同角度单裂纹缺陷的类岩材料的裂纹扩展进行PD数值模拟仿真,裂纹起裂位置和扩展方向与试样试验结果在一定程度上保持了一致,证明了该基于近场动力学理论的典型准脆性材料的本构力函数可用于该类材料的破坏分析。     

含初始裂纹巴西圆盘劈裂问题的非局部近 场动力学建模

巴西圆盘劈裂是弹性力学及岩石力学与工程中的经典问题。在非局部键型近场动力 学理论的基础上,引入物质点对的转动自由度构建双参数微观弹脆性近场动力学本构力模型 以突破常规模型的应用范围限制,并考虑岩石混凝土类材料的宏观拉压异性和断裂特征。引 入动态松弛、粒子系统力边界条件和系统平衡弛豫等算法,实现了含不同倾角中心裂纹巴西 圆盘受压劈裂破坏全过程的近场动力学数值模拟,裂纹扩展路径及破坏形式均与试验结果高 度吻合,为裂纹扩展和断裂破坏问题的数值模拟提供了新的选择。     

金属材料疲劳损伤的宏细观理论

工程结构的疲劳损伤发展过程经历了由初始缺陷的形成、裂纹的稳态扩展直到最后失效的不同发展阶段,通常疲劳损伤的演化可以概括为以下几个阶段:(1) 亚结构和微观结构的变化引起永久损伤的形成,产生微观裂纹;(2) 微观缺陷的长大会合形成主裂纹;(3) 主裂纹稳态扩展;(4) 结构失稳或完全失效.首先论述了疲劳裂纹扩展的物理机制,并从细观和宏观两个方面总结了处理疲劳裂纹问题的最新研究成果,对位错力学在处理短裂纹扩展问题中的应用,以及无位错区(DFZ)在疲劳裂纹扩展中的作用进行了较详细讨论.      

压缩载荷作用下岩石的细观损伤和塑性研究

建立岩石微裂纹扩展的细观力学模型,研究了岩石的细观损伤和塑性性质.压缩载荷下微裂纹尖端翼裂纹稳定扩展表征岩石的细观损伤,采用应变能密度准则求解复合型断裂的翼裂纹扩展长度,微裂隙统计的二参数Weibull函数模型反映绝对体积应变对微裂纹分布数目影响,进而用翼裂纹扩展所表征的应力释放体积和微裂纹数目来表示含有微裂隙的岩石损伤演化变量;宏观塑性屈服函数采用Voyiadjis等的等效塑性应变的硬化函数,反映了塑性内变量对硬化函数的影响;建立岩石模型的本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制了模型的本构程序.分析弹塑性损伤模型的围压对岩石损伤的影响,并从围压和短微裂隙长度等因素分析模型的岩石的损伤和宏观塑性特性.     

基于能量耗散分析的混凝土随机疲劳损伤模型

基于微-细观随机断裂模型(MMSF)发展了一类混凝土随机疲劳损伤模型。该模型将MMSF中的微弹簧视为一能量耗散单元并考察了其跨尺度的能量耗散过程。在纳观尺度,引入速率过程理论描述裂纹的扩展速度,并基于裂纹层级模型和自相似假定完成从纳观尺度到微观尺度的过渡。由此建立了微弹簧在疲劳荷载作用下的多尺度耗能描述。此外,为了考虑疲劳加载中混凝土多条裂纹的相互影响,引入了包含损伤扩展效应和损伤愈合效应的疲劳损伤因子来修正耗能表达。通过与相关试验的对比,证明了该模型能反映疲劳荷载作用下混凝土的主要力学行为,如疲劳损伤三阶段特点、疲劳寿命的离散性和疲劳寿命随加载频率的变化趋势等。     

准脆性材料黏聚阻裂的计算与实验

工程常用材料铸铁混凝土等,在裂缝前端区域有微观及宏观缺陷的变化及能量耗散,表现为准脆性损伤断裂特点.若把该阻止裂缝扩展与张开的损伤发展区简化成虚拟裂纹,将存在裂纹黏聚分布力与变形或张开位移;讨论了与此相关的黏聚裂纹力学模型及方程解答说明.相应于黏聚张开位移有微细观测图与实验测试数据,给出黏聚裂纹模型的解析计算方法,并将理论计算与实验测试数据进行了对比.以双K断裂准则和黏聚模型为基础,给出对含裂纹结构的承载力的预估计算.理论计算比较符合实验结果.     

考虑微裂纹相互作用的的岩石微观力学弹塑性损伤模型研究

本文建立基于微裂纹扩展的岩石弹塑性损伤微观力学模型。用自洽方法考虑裂隙间相互影响,压缩载荷下微裂纹尖端翼裂纹稳定扩展表征岩石的微观损伤,基于应变能密度准则用Newton迭代法求复合型断裂的翼裂纹扩展长度,并采用微裂隙统计的二参数Weibull函数模型反映绝对体积应变对微裂纹分布数目影响,进而用翼裂纹扩展所表征的应力释放体积和微裂纹数目来表示含有微裂隙的岩石损伤演化变量;宏观塑性屈服函数采用Voyiadjis等的等效塑性应变的硬化函数,反映塑性内变量对硬化函数的影响;建立岩石的弹塑性损伤本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制了弹塑性损伤模型的程序。从围压和微裂隙长度等因素分析弹塑性损伤模型的岩石的损伤和宏观塑性特性。     

含裂纹结构可靠度的多尺度求解

针对环境作用下金属结构从微观损伤到宏观失效的复杂过程,选用具有局部细化特征的CAS小波,先对疲劳裂纹扩展方程进行离散处理,将微分方程转化为代数方程组,然后用完全积分可靠性分析模型,对一般环境中和引入环境系数的含裂纹结构的可靠度进行求解.最后,验证了利用CAS小波多尺度方法求解复杂环境中结构疲劳破坏过程是可行的,并能很好地解决短裂纹与长裂纹扩展的光滑过渡.     

压电介质损伤、断裂力学研究的现状

压电介质的损伤与断裂力学是现代固体力学的重要课题．本文简要地综述了压电介质损伤与断裂力学研究的现状,集中讨论了：（１）裂纹面电边界条件的不同模型及其求解的结果;（２）宏观连续力学与细观力学用于压电介质的损伤与断裂的静力学分析;（３）压电介质动态断裂分析的某些新结果．文末,指出了今后在压电介质损伤与断裂研究的某些有吸引力的研究方向     

混凝土复合型裂纹扩展的非局部近场动力学建模分析

基于非局部近场动力学理论,构建了修正的能反映混凝土宏观拉压异性和断裂特征的近场动力学本构模型,开发了相应的离散、加载和时间积分算法,实现典型混凝土构件中复合型裂纹扩展过程模拟。在物质点对尺度上定义局部损伤并考虑物质点对的相对转动,通过求解时空微-积分方程实现裂纹的自然萌生与扩展,避免裂尖不连续带来的求解奇异性、网格依赖性和网格重构以及常规近场动力学本构模型的泊松比限制。通过含单边和双边初始裂纹四点剪切混凝土梁裂纹扩展破坏全过程模拟,得到破坏形态、破坏荷载以及完整的荷载-裂纹开口滑移曲线,并与试验和其他数值模拟结果对比,验证了模型的精确性和算法的稳定性。     

断裂力学及边界元法在有限体应变局部化问题中的应用

微裂纹模型是研究砂土变形中应变局部化问题的微观力学模型。本文在前文的基础上建立了有限平面的徽裂纹模型的基本方程。数值解析表明,微裂纹模型可再现应变局部化及应变软化现象。同时,本文简要地讨论了边界约束、尺寸效应及侧压对应变局部化的影响。     

构元组集损伤断裂模型及其与内聚区模型的比较

结构的响应实质上是材料的响应,宏观结构损伤至断裂的发展过程也是材料性质不断演化的结果.构元组集模型从材料的微观物理变形机制出发,基于对泛函势理论和Cauchy-Born准则,抽象出两种构元:弹簧束构元和体积构元.在微观层次上,结构损伤和断裂的实质都是原子间键合力减弱和丧失的结果,而弹簧束构元是同一方向上的原子键的抽象,因此损伤可以通过弹簧束构元的响应曲线来反映.组集两种构元的响应,建立了材料的弹性损伤本构关系,从而能一致描述材料从弹性到损伤、破坏的发展过程.将构元组集模型的本构关系嵌入ABAQUS的用户材料单元子程序UMAT,实现对结构响应的数值模拟.论文模拟了包含中心预制裂纹三点弯曲梁的裂纹扩展过程,并与内聚区模型比较,给出了内聚区模型所假设的应力-位移关系曲线,并从材料损伤演化的角度对材料裂纹扩展过程做出了物理解释.