界面裂纹的路径选择与数值模拟

利用界面断裂能和荷载混合度的概念研究界面裂纹的扩展路径，利用有限元数值方法模拟界面裂纹的扩展过程，再现界面断裂的各种几何构型．研究表明，界面的断裂能和混合度完全控制了裂纹在界面附近的扩展过程．数值预测的裂纹路径与理论结果一致     

三维斜置半圆形表面裂纹扩展数值模拟

以裂纹前沿局部坐标中主法平面内的最大周向拉应力作为控制参数,对第一主应力拉应力裂纹扩展准则进行了补充和修正.修正后的拉应力裂纹扩展准则称为最大周向拉应力裂纹扩展准则.它不仅可以有效地确定裂纹扩展方位、扩展方向和扩展条件,而且可以有效地确定裂纹扩展步长.根据修正的裂纹扩展准则,给出了三维裂纹曲面的数学描述方式,可以有效地模拟扩展曲面的弯折和扭曲.     

三维疲劳多裂纹扩展数值模拟的计算方法及程序设计

研究了含多条初始裂纹的紧固孔件的裂纹扩展模拟及裂纹扩展寿命。紧固孔形式为直通孔和沉头(有锪窝)孔,裂纹形式为孔边角裂纹,将裂纹前缘形状简化为二次曲线形式。采用更新网格法追踪裂纹扩展,并人为干预裂纹前缘形状,解决了裂纹前缘端点跨越模型角点时的网格畸变问题;在裂纹扩展法则中使用了AFGROW裂纹闭合模型,并引入多裂纹协调扩展算法,避免了逐一应力循环计算,缩短了计算时间;试件失效判据使用净截面屈服和裂纹前缘塑性区连通准则,试件满足任一判据即判定为失效;最后在ANSYS软件的基础上进行二次开发,设计了适应多种模型的全寿命自动分析程序,并使用VB语言编写了用户界面,分别对单孔和一排五孔两种平板试件从锪窝孔边起裂的角裂纹扩展进行了数值模拟,并与试验结果进行了对比。结果表明:使用AFGROW裂纹闭合模型对寿命的预测精度明显高于Paris模型,其寿命预测误差在5%以内;对位于模型表面的裂纹尺寸的模拟与试验结果吻合较好,并很好地模拟了五孔模型在发生裂纹连通之后加速扩展的情况。     

表面裂纹疲劳扩展的数值模拟

建立了一种无形状约束的模拟表面裂纹在线弹性断裂力学条件下疲劳扩展的数值方法,并研究了表面疲劳裂纹形状演化和裂纹尖端应力强度因子(SIF)的分布特征。该方法以三维有限单元技术和Paris疲劳裂纹扩展规律为基础,并在裂纹扩展增量计算中考虑了裂纹闭合影响。本文第一部分主要介绍模拟三维疲劳裂纹扩展的数值方法的理论背景和相关的技术细节。着重分析和讨论基于三维有限单元法计算裂纹SIF所涉及的几个主要问题:裂纹尖端单元网格密度对估算精度的影响;自由表面的影响及其修正方法;裂纹尖端非正交单元网格的影响及修正方法。     

三维裂纹扩展轨迹的边界元数值模拟

提出了一种对三维裂纹扩展轨迹进行数值模拟的新方法。采用一种新的具有C^1连续性、高精度的单节点二次边界单元，使边界元(BEM)的分析效率和裂纹张开位移(COD)、应力强度因子(SIF)的精度大大提高。采用裂纹张开位移全场拟合法(GCDFP)求出裂纹面前缘的SIF，所得到的SIF达到与所用的COD资料同样的精度。使用Paris公式求出裂纹前缘各点的裂纹扩展增量，并用三次B样条函数对这些增量进行拟合，得到新的光滑裂纹前缘。根据以上思想方法，开发了具有较高的计算效率和精度的数值模拟软件。此软件可以自动跟踪裂纹扩展，得到裂纹扩展的轨迹。运用该软件对椭圆和矩形裂纹的扩展轨迹进行了数值模拟。其结果与理论上的预言完全一致，裂纹最后都趋于一个圆裂纹，具有实际指导意义。     

岩体裂隙扩展过程的数值模拟

本文根据断裂力学理论及节理岩体的等效连续模型,探讨了岩体裂隙扩展过程的数值模拟方法,文末算例说明了方法的有效性。     

用可动节点有限元模型模拟裂纹扩展过程

本文针对裂纹扩展有限元模拟模型存在的问题,提出一种可动节点模型.使裂尖在单元尺度内任意移动,实现了扩展模拟连续性.加进松弛扩展,突出其所占比重,使模拟更加逼真.用弹塑性有限变形杂交元自编模拟裂纹扩展的通用FORTRAN 程序,对含中心裂纹铝板进行模拟,假定材料各向同性并遵守等向强化规律,采用米赛斯屈服准则和Drucker 塑性势流动理论做增量弹塑性静力分析,得到了与实验符合较好的结果.     

爆炸荷载作用下岩石动态裂纹扩展的数值模拟

运用岩石破裂过程分析软件RFPA-dynamic,就爆炸荷载的加载速率、炮孔到自由边界的距离以及两炮孔中间空孔的大小对动态裂纹扩展方式的影响进行了研究。结果表明:随着加载速率的减小,炮孔周围的破碎区逐渐减少;裂纹开始萌生的位置逐渐由破碎区外边缘向炮孔孔壁转移;萌生的分支小裂纹逐渐减少,主裂纹扩展长度逐渐增大。由于自由边界的影响,炮孔向下扩展的裂纹逐渐弯向水平方向,且炮孔到自由边界的距离越小,这种趋势越明显。由于空孔的导向作用,使靠近空孔的裂纹逐渐弯曲向空孔处扩展,同时在空孔孔壁两端产生一条向炮孔扩展的裂纹;空孔半径大小对裂纹的导向作用,并无明显的影响;材料的非均匀性,对裂纹的扩展方式有显著的影响。     

表面裂纹疲劳扩展的数值模拟(Ⅱ)

根据Paris疲劳裂纹扩展规律,对拉伸和纯弯曲疲劳载荷下表面裂纹扩展进行了数值模拟。数值模型中,用三次样条函数曲线拟合裂纹尖端,在裂纹扩展增量计算中考虑了裂纹闭合影响。裂纹形状演化的模拟结果与Newman和Raju经验公式预测结果进行了比较,表明了所采用的数值模拟方法的实用性。研究发现,裂纹闭合对疲劳裂纹扩展过程中的裂纹形状演化以及裂纹尖端的应力强度因子(SIF)分布都有明显影响。同裂纹形状演化一样,疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端的SIF分布表现出明显的特征。最后,建议了一个简单函数来统一描述表面裂纹尖端的SIF分布。     

混凝土中心裂缝单轴拉伸损伤断裂数值模拟研究

基于对混凝土细观力学的认识,假定混凝土是由砂浆基质,骨料及它们之间的界面组成的三相复合材料,各组分的材料性质按照某个给定的Weibull分布来赋值,细观单元满足弹性损伤的本构关系,应用细观力学损伤模型研究了混凝土的宏观力学性质,并且通过有限元程序对中心裂缝混凝土试件在单向拉伸情况下的破坏过程进行了数值模拟.模拟结果表明,该模型可以用来研究单向载荷作用下混凝土结构的破坏机理.     

土中爆炸冲击混凝土道面的数值模拟

炸药在多相介质中的爆炸是气态爆轰产物和固态介质之间的耦合作用问题，对其进行数值模拟一般不考虑炸药而直接将爆轰压力加在介质上，而耦合方法对炸药和其周围的介质进行离散，炸药和介质采用统一的控制方程，通过界面条件实现相互作用。任意拉格朗日欧拉（Arbitary Lagrangian and Eularian）法，是最近兴起的适用于计算固体大变形问题的数值计算方法。将其引入爆炸力学计算，可以避免由于物质的大变形引起的单元畸变和计算困难。同时混凝土的损伤模型，更加符合混凝土在高应变率加载条件下的力学特性和破坏机理。将这三种方法引入数值模拟，计算结果与相关试验结果有较好的吻合。     

拉压模量不同材料的圆孔扩张问题

本文建立了拉、压模量不同材料的圆孔扩展理论，分析了有关参数对圆孔扩张时应力、位移以及塑性区的发展规律的影响。     

水下成组药包爆炸作用下冰盖动态响应数值模拟

利用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立了成组药包水下爆炸冰盖动态响应模型,通过数值计算,得到了冲击波峰值压力变化规律,峰值压力与理论计算结果基本吻合。本文分析了冰盖在成组药包水下爆炸冲击载荷下的应力分布及垂直位移响应特征。结果表明,冰盖迎爆面为压缩破坏,背爆面为拉伸破坏,两者数值均十分接近,其中迎爆面最大压力值可达18.12MPa,冰盖近爆炸点最大垂直位移为1.211cm,两药包连线中点最小位移为0.15cm,达到脆性冰盖形成贯通裂隙的基本条件,从而确定了冰盖在水下成组药包大间距布设条件下,其动态破坏形式是以产生裂隙为主要特征。     

ALE方法在爆炸数值模拟中的应用

本文以ALE（Arbitrary Lagrange—Euler）理论为基础，结合非线性动力学的相关理论，推导了ALE方法描述的控制方程组。最后采用ALE描述方法针对集团装药在半无限土质中爆炸进行了数值模拟，并将模拟计算结果与现有实验研究成果进行了对比。在模拟给出的最大压力时程曲线和爆腔发展时程曲线的基础上，对空腔的形成和发展规律以及次生波的形成等问题进行了研究。通过对比，证明ALE算法综合了Lagrange和Euler法的优点，能够有效地用于对爆炸过程进行数值模拟。     

A Self-Similar Crack Expansion method for three-dimensional cracks in an infinite or semi-infinite medium

The Self-Similar Crack Expansion (SSCE) method is used to calculate stress intensity factors for three-dimensional cracks in an infinite medium or semi-infinite medium by the boundary integral element technique, whereby, the stress intensity factors at crack tips are determined by calculating the crack-opening displacements over the crack surface. For elements on the crack surface, regular integrals and singular integrals are precisely evaluated based on closed form expressions, which improves the accuracy. Examples show that this method yields very accurate results for stress intensity factors of penny-shaped cracks and elliptical cracks in the full space, with errors of less than 1% as compared with analytical solutions. The stress intensity factors of subsurface cracks are in good agreement with other analytical solutions.     

Numerical Simulation and Experimental Validation of the Turbulent Combustion and Perlite Expansion Processes in an Industrial Perlite Expansion Furnace

A computational code has been developed based on a Eulerian–Lagrangian approach in order to model the combustion and the motion of perlite particles in a vertical expansion furnace. The expansion of a single particle, which takes place during its motion in the furnace, has been modeled by taking into account the perlite chemical composition and the gradual variation of the temperature distribution inside the grain. Experiments, performed in a perlite expansion plant, have been used to validate the computational results. The operational characteristics of a perlite expansion furnace have been measured and have served as inlet conditions for the numerical simulation of the combustion and perlite expansion processes.The good agreement between measurements and predictions indicates that the developed computational tool can be used to optimise the perlite expansion process leading to reduced fuel consumption with increased productivity.     

管道超声纵向导波裂纹检测数值模拟

简述了近年来超声导波技术的发展现状及其检测原理，并用有限元程序ANSYS对管道超声纵向导波裂纹检测进行了数值模拟。管道模型中，删除单元模拟管道周向裂纹，通过对管道一端端部周向各节点施加轴向瞬时位移载荷模拟纵向入射应力波，同端接收反射应力波，根据裂纹纵波回波信号到达时间和反射系数能较为精确地判断裂纹位置、周向开口裂纹长度、管壁减薄程度及裂纹截面积，但反射系数对管道轴向裂纹宽度不十分敏感。数值模拟结果与前人实验结果及理论计算结果吻合较好。     

岩石材料动态破坏的近场动力学方法数值模拟

裂纹的聚集、扩展、分叉是岩石等脆性材料破坏失效的关键因素，本文在验证了近场动力学方法在研究岩石类材料裂纹动态扩展方面的有效性之后，采用近场动力学方法分别对冲击载荷作用下含有双裂纹岩石材料和单轴压缩作用下含单斜裂纹的岩石材料进行数值模拟．结果表明，对于双垂直裂纹，其裂纹扩展路径大致与预制裂纹成70°夹角；对于单裂纹，裂纹的扩展路径随裂纹倾角的变化而变化，最终导致构件的整体破坏．数值模拟结果表明近场动力学方法可以很好地模拟岩石等脆性材料的裂纹扩展直至破坏的过程，反映裂纹扩展的物理机理；其作为一种新的基于非局部理论的数值方法，在地下岩体工程方面及页岩气的开采方面会有很好的发展前景．     

裂纹起裂方向及扩展路径的数值模拟

采用FRANC2D断裂力学分析软件分析了含裂纹构件的断裂问题,通过在裂纹尖端附近采用1/4奇异等参元,很好的刻画了裂纹尖端场的1/√r奇异性,通过对若干典型断裂问题的计算,得到了裂纹尖端的断裂参数,模拟了有限板中心斜裂纹和边斜裂纹的扩展过程,并对裂纹的起裂方向进行了预测,与实验结果进行对比具有较好的一致性.分析结果表明,FRANC2D软件对线弹性材料的断裂问题计算结果精度很高,可以模拟裂纹的扩展路径.利用该软件的计算结果对进一步深入分析断裂问题有很大帮助,可以为工程断裂分析提供参考.