应用格形模型和统计方法分析两相材料宏观等效力学性质

采用格形模型和统计方法分析了三维两相材料的宏观等效力学性质.首先建立了两相非均匀材料的力学模型和相应的格形有限元分析方法.然后利用该方法针对六种两相材料模型,分别分析了材料体积比、不同空间分布和材料物理性质分布对两相材料宏观力学性质的影响. 由于使用了三维非均匀模型和自适应载荷步长的加载技术,该方法可以较好地模拟材料在准静态加载条件下的破坏全过程,所得结果可以为颗粒(或短纤维)增强复合材料的力学性质及其设计提供参考依据.     

三维非均匀脆性材料破坏过程的数值模拟

采用有限元方法模拟了三维均匀固体材料在宏观等效力学性质和破坏过程。首先采用格形（lattice）方法把试件离散成三维均匀网格,在每个单元格中将材料按照均匀处理,根据给定的统计规则来确定不同单元格中的材料常数以反映材料的非均匀性。然后对非均匀脆性材料选用简单的本构关系与断裂准则,采用自适应选取载荷步长对试件进行加载,通过非平衡迭代技术对刚度矩阵进行不断修正,实现了非均匀脆性材料的弹性行为及破坏过程的数值模拟。在此基础上,通过数值计算研究了材料的非均匀分布对宏观等效力学性质和破坏过程的影响,给出了破坏全过程的非线性载荷－位移曲线以及不同载荷阶段的三维损伤破坏的演化图。     

脆性材料破坏过程分析的数值试验方法

文中运用作者新近开发的材料破坏过程分析MFPA2D系统,以岩石、混凝土等非均匀脆性材料的破坏过程分析为例,说明了数值模拟方法给脆性材料破坏理论发展所带来的契机,并简述了MFPA2D在煤层移动、地下工程稳定性、地震孕育机制,以及复合材料破坏问题研究中的应用前景．     

含损伤演化的TM耦合数值模型及其应用研究

基于生物力学中的Wolff法则，发展了一种连续体拓扑优化的新方法. 有待优化的结构 被看作是一块遵从Wolff法则生长的骨骼，把寻找其最优拓扑的过程比拟为骨骼的重建/生 长过程. 采用骨骼的重建/生长规律作为准则更新材料分布，直至达到一个平衡状态并由此 获得结构的最优拓扑. 算例表明了所提出方法的有效性.     

HILL屈服准则与晶体塑性模型对FCC单晶材料塑性各向异性描述能力的比较

采用宏观HILL模型和晶体塑性模型对面心立方单晶(FCC)材料的非均匀交形进行了数值模拟，意在比较两种不同尺度的模型对塑性各向异性的描述能力的差异。为了使两种模型具有可比性，对于FCC单晶材科，本文提出一种用晶体塑性模型来确定HILL模型中各向异性参数的标定方法。数值分析表明，两类模型对单晶体塑性各向异性的描述能力存在着差异。对FCC单晶材料，HILL模型对各向异性的预测能力没有晶体塑性模型细致，晶体塑性模型更能追踪塑性各向异性的变化。但两种模型对应力应变响应预测的趋势是一致的。对两种模型描述的差异，做了详细的分析。     

短纤维增强复合材料破坏过程的数值模拟

利用一个材料破坏过程分析程序ＭＦＰＡ＾２Ｄ系统,研究了短纤维增强复合材料的破坏过程,研究表明,对于非均匀脆性材料而言,纤维与基体的强度、弹性模量经级纤维的弹塑性性质对宏观材料的强度和韧性有很大的影响,数值模拟再现了短纤维增强复合材料的变形、破坏全过程,包括纤维的止裂与桥连作用及微裂纹的萌生、扩展直至最宏观贯通。     

非均匀脆性材料数值试验CA计算模型

以自动元胞机CA(Cellular Automata)理论为基础,提出了一种CA计算模型,模拟混凝土、岩石等非均匀脆性材料的开裂过程,研究分析材料的变形性质和力学性能。文中给出了空间随机杆件方向余弦常量,推导了等效杆件截面面积计算公式,并通过数值试验证明了方法的有效性。     

岩石破裂过程THMD耦合数值模型研究

从岩石的细观非均匀性特点出发,应用损伤力学、热力学和渗流力学理论,建立了岩体热(温度)-水(渗流)-岩(应力)-损伤耦合数值模型(THMD model),把岩石(体)THM耦合问题的研究从应力状态分析深入到损伤、破坏过程分析之中。探讨了THM耦合作用下岩石材料的细观结构损伤及其诱发的材料力学性能演化机制,并运用所提出方法计算温度-渗流-应力耦合作用下井筒近场围岩的稳定性,模拟得到的岩体破坏过程、应力分布、AE特性及渗流特性变化与现场标定结果有着一致的规律性,初步证明了该数值模型的合理性和有效性。THMD模型以简单的数值模型表征了岩石(体)中热、水、岩及损伤之间复杂的作用关系,为从细观损伤演化揭示宏观岩体温度-渗流-应力耦合破坏机制提供了一种新的数值分析方法。     

一种混凝土损伤模型和数值方法

Ｏｔｏｓｅｎ准则在准静态时和实验结果有很好的一致性,但是混凝土的动态力学性质和准静态相比有明显的变化。此时,需要用应变率相关的本构模型来描述混凝土的力学行为。从Ｏｔ－ｔｏｓｅｎ的四参数混凝土破坏准则出发,考虑损伤、静水压和应变率对本构关系的影响,建立了混凝土的粘塑性本构模型。同时给出了基于该本构模型的混凝土的有限元计算方法：在积分内变量时采用改进的龙格－库塔格式,在时间方向上的积分使用带有步长控制的ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ－方法,有效地保证了积分的稳定和精度,给混凝土的进一步研究提供了方便。     

非均质材料弹塑性破裂过程的数值模拟研究

阐述了岩土类材料的非均质特性，根据这种特性提出了对材料参数进行随机赋值的方法。为了对非匀质类材料的弹塑性破裂过程进行数值模拟研究，必须在有限元计算中实现材料的参数随机赋值。还给出了实例－－平面应力状态下试样的弹塑性破裂过程的数值模拟分析。     

Theoretical statistical solution and numerical simulation of heterogeneous brittle materials

The analytical stress-strain relation with heterogeneous parameters is derived for theheterogeneous brittle materials under a uniaxial extensional load, in which the distributions of theelastic modulus and the failure strength are assumed to be statistically independent. This theoreticalsolution gives an approximate estimate of the equivalent stress-strain relations for 3-D heterogeneousmaterials. In one-dimensional cases it may provide comparatively accurate results. The theoreticalsolution can help us to explain how the heterogeneity influences the mechanical behaviors, Further, anumerical approach is developed to model the non-linear behavior of three-dimensional heterogeneousbrittle materials. The lattice approach and statistical techniques are applied to simulate the initialheterogeneity of heterogeneous materials. The load increment in each loading stage is adaptivelydetermined so that the better approximation of the failure process can be realized. When the maximumtensile principal strain exceeds the failure strain, the elements are considered to be broken, which canbe carried out by replacing its Young‘s modulus with a very small value. A 3-D heterogeneous brittlematerial specimen is simulated during a full failure process. The numerical results are in good agreementwith the analytical solutions and experimental data.     

CFRP加筋板剪切稳定性试验和数值分析模型研究

为研究数值模型对碳纤维增强复合材料(CFRP)加筋板面内剪切稳定性试验计算结果的影响,采用画框式夹具对CFRP加筋板进行了屈曲试验,获得了初始屈曲载荷和载荷-应变曲线;同时基于ABAQUS有限元软件建立了四种数值模型,分别进行线性屈曲和非线性屈曲分析,通过将计算结果与试验结果的比较,确定了有效的数值模型．在此基础上,通过对屈曲前、后有效区边界上的内力分布的比较分析,明确了夹具的传力效果、试件真实的受力状态,以及偏差产生原因．     

层板复合材料的疲劳剩余刚度统计分布模型

在分析现有关于层板复合材料疲劳剩余刚度衰退模型的基础上，根据层板复合材料在疲劳载荷作用下刚度衰退变化的现象，研究了疲劳载荷对层板复合材料刚度衰退的影响，建立了一个新的、更为合理的用于描述层板复合材料在常幅疲劳载荷作用下的刚度衰退模型，导出了剩余刚度统计分布的表达式，给出了确定模型参数的方法。为验证该模型，设计了几组测试实验，并利用试验结果对模型参数进行了估计。利用该统计分布模型，可以预报层板复合材料在给定应力水平的疲劳载荷作用下循环指定周次时剩余刚度的统计分布。实验数据表明，理论预报和实验结果符合得是很好的。     

一种复合材料实体的快速剖分算法

剖分是进行有限元计算的前期工作，它主要是通过网格化，将实体划分成具有相同类型的单元。本文采用由外向内的部分思路，利用10节点四面体等参数单元，实现了对三维不对称实体的网格剖分。计算结果表明，使用本文的剖分算法进行后期的有限元计算是十分理想的。     

基于格子Boltzmann方法的挤出胀大的数值模拟

将单相格子Boltzmann方法(lattice Boltzmann method, LBM)引入到粘弹流体的瞬态挤出胀大的数值模拟中,建立了基于双分布函数的自由面粘弹性流动格子Boltzmann模型．分析得到的流道中流动速度分布和构型张量结果与理论解十分吻合．对粘弹流体瞬态挤出胀大过程进行了模拟,并分析了运动粘度比和剪切速率对挤出胀大率的影响,得到的胀大率结果与理论分析和其它模拟结果基本一致．表明给出的LBM可以捕捉挤出胀大的瞬态效应．     

模拟MKDV方程的格子BGK模型

目前,格子Boltzmann方法已被广泛应用于模拟各种非线性方程.文中用D1Q4模型给出MKDV方程的带修正项的BGK型格子Boltzmann法.数值模拟与理论结果吻合很好.     

后加混凝土-砌体组合结构简化计算模型研究

后加混凝土构件的加固方法是在原有砌体结构外部新增钢筋混凝土构件,形成一种新型的组合结构．本文提出了考虑连接节点的后加混凝土构件-砌体组合结构的简化理论计算模型,并推导了不同构件的等效计算公式．考虑均布分布荷载和倒三角分布荷载作用,对组合结构的变形、剪力分配进行计算分析．计算结果从定性方面验证了本文提出的简化计算模型的可行性和有效性．同时针对某实际工程进行理论计算,与三维空间模型在弹性阶段的计算结果进行对比,从定量方面验证了本文提出的简化计算模型的准确性．     

理想八面体点阵结构力学模型优化及力学性能测试分析

利用光固化立体成型技术(SLA)制备了不同相对密度的光敏树脂基体理想八面体结构,并对其进行紫外固化处理,通过理论计算、实验测试以及数值模拟的方式对八面体点阵结构的力学性能进行了分析.实验结果表明八面体点阵结构的压缩模量以及抗压强度随着相对密度的增加而上升,相对密度从11.3%提升至27.9%,弹性模量上升了3.5倍左右,抗压强度上升2.6倍左右.利用ABAQUS有限元软件对实验过程进行了模拟,数值模拟结果与实验结果具有良好的一致性.在理论计算中,对Deshpande等提出的八面体点阵结构计算模型(DFA模型)进行了修正,计算结果显示修正后的计算结果更接近实验值与模拟值.     

3-D numerical simulation of fracture processes in heterogeneous brittle materials

By using the lattice model combined with finite element methods and statistical techniques, a numerical approach is developed to establish mechanical models of three-dimensional heterogeneous brittle materials. A special numerical code is introduced, in which a lattice model and statistical approaches are used to simulate the initial heterogeneity of material properties. The size of displacement-load step is adaptively determined so that only few elements would fail in each load step. When the tensile principal strain in an element exceeds the ultimate strain of this element, the element is considered broken and its Young's modulus is set to be very low. Some important behaviors of heterogeneous brittle materials are indicated using this code. Load-displacement curves and figures of three-dimensional fracture patterns are also numerically obtained, which are similar to those observed in laboratory tests.     

形状记忆合金增强复合材料连接件模型的实验研究

本文对形状记忆合金（ＳＭＡ）增强复合材料连接件模型进行了初步的实验分析和计算,结果表明：ＮｉＴｉＳＭＡ丝产生的回复应力对连接件模型孔应变有明显的影响,埋入ＮｉＴｉ丝的复合材料连接件模型的拉伸破坏载荷有所提高,本研究为改善复合材料连接的强度问题作了有益的探索。