基于单元分解的结构断裂扩展有限元法

研究并提出了一种基于单元分解的扩展有限元方法,并将其用于求解结构断裂问题。首先,将不含加强节点的四边形单元剖分为四个三角形子域,通过加权平均获得单元中心处局部应变值;其次,基于三角形子域局部应变进一步构造单元刚度矩阵稳定项。最后,将该单元分解法应用到扩展有限元法的分析中。与传统扩展有限元方法相比,该方法可有效减少积分点数量、避免复杂等参变换且能保证裂纹尖端应力强度因子的求解精度。

     

增强颗粒对铝基复合材料摩擦学性能的影响

采用自制的摩擦磨损试验机考察了增强颗粒对铝基复合材料摩擦磨损性能的影响。结果表明：在基体合金、陶瓷颗粒尺寸和体积分数相同的条件下,SiC增强铝基复合材料的摩擦磨损性能优于Al2O3增强铝基复合材料;增大颗粒尺寸或增加颗粒体积分数均使得SiC颗粒增强铝基复合材料的平均摩擦系数略有降低,耐磨性能提高;在与半金属摩擦材料配副时,颗粒增强铝基复合材料的摩擦系数与基体合金的相近,耐磨性能提高了3个数量级。     

用于模拟颗粒增强复合材料破坏过程的梁—颗粒细观模型的实验验证

本文的主要目的是验证梁－颗粒细观模型在模拟混凝土和砂岩类颗粒增强复合材料连续破坏过程的有效性，文中首先介绍了梁－颗粒细数值模型的基本原理，然后给出了由细钢丝粘结成的正方体试验的单轴抗压实验结果，最后用梁－颗粒细观模型对物理实验进行了数值模拟，研究结果表明，物理实验和数值模拟所得到的试件破坏模式和荷载－位移曲线，两者基本一致，从而初步证明了梁－颗粒细观数值模型及模拟颗粒增强复合材料破坏过程，以及解释     

基于扩展有限元法的混凝土细观断裂破坏过程模拟

扩展有限元法（XFEM）是分析不连续力学问题（特别是断裂问题）的一种有效的数值方法。在常规的有限元位移模式中,基于单位分解的思想加入一个跳跃函数和渐进缝尖位移场来对不连续体附近的节点自由度进行局部加强,从而反映了位移的不连续性。介绍了扩展有限元的基本原理,给出了扩展有限元进行混凝土开裂及裂纹扩展的分析方法,最后采用扩展有限元法模拟了湿筛混凝土单轴拉伸作用下及WinklerL-型混凝土板的细观断裂破坏过程。分析了混凝土裂纹萌生、扩展的过程及破坏形态,数值结果与实验结果吻合良好。研究表明：扩展有限元法通过特定的位移模式,使裂纹两侧不连续位移场的表达独立于网格划分,能有效地模拟混凝土材料细观断裂破坏过程。     

陶瓷颗粒增强金属基复合材料的细观强度分析

陶瓷颗粒增强金属基复合材料的失效主要有界面脱粘、增强粒子开裂等新的细观结构损伤机制。为了减小这些不足并对细观失效过程有一个清晰的了解,近来人们对金属基复合材料进行了大量研究,在此基础上,本文用细观力学的方法和损伤模型研究了陶瓷颗粒增强金属基复合材料的强度和损伤失效。为了计算方便,陶瓷颗粒简化为在复合材料中随机分布的椭球形粒子,然后以二相胞元模型计算分析了金属基体、颗粒中的应力应变分布情况,结果表明,基体中应力极不均匀,界面区存在应力集中,并计算了界面弧形裂纹扩展时的能量。最后分别提出了基体,颗粒和界面的失效强度准则,本文结果对于颗粒增强金属基复合材料具有普遍的实用性。     

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.     

颗粒增强有机硅基复合涂层的冲蚀磨损行为

利用气流喷砂型试验机,对ＳｉＣ和Ａｌ２Ｏ３颗粒增强的有机硅基复合材料涂层（ＳＭＣＣ）的冲蚀磨损行为进行了研究。发现合适的基体组成、增强体颗粒种类及含量使ＳＭＣＣ冲蚀率较纯有机硅树脂涂层降低了１个数量级。冲蚀表面形貌ＳＥＭ分析表明：低速冲蚀时涂层冲蚀磨损机理以显微犁耕为主,并伴有显微切削;而高速冲蚀时的磨损机量主要是微裂纹的产生和扩展造成成涂层的大块剥落,并伴有微切削和微犁耕。     

基于有限断裂法和比例边界有限元法的裂纹扩展模拟

基于有限断裂法和比例边界有限元法提出了一种裂缝开裂过程模拟的数值模型。采用基于有限断裂法的混合断裂准则作为起裂及扩展的判断标准,当最大环向应力和能量释放率同时达到其临界值时,裂缝扩展。结合多边形比例边界有限元法,可以半解析地求解裂尖区域附近的应力场和位移场,在裂尖附近无需富集即可获得高精度的解。计算能量释放率时,只需将裂尖多边形内的裂尖位置局部调整,无需改变整体网格的分布,网格重剖分的工作量降至最少。裂缝扩展步长通过混合断裂准则确定,避免了人为假设的随意性,并可以实现裂缝变步长扩展的模拟,更符合实际情况。通过对四点剪切梁的复合型裂缝扩展过程的模拟,对本文模型进行了验证,并应用于重力坝模型的裂缝扩展模拟,计算结果表明,本文提出的模型简单易行且精度较高。     

颗粒增强复合材料中微观热应力和残余应力分析

运用空间配位体密堆模型和球对称分析单元，分析计算了颗粒增强复合材料经历温度变化后产生的微观热应力和残余应力。分析结果表明，温度升高时界面产生径向张应力，降温时产生压应力。存在一个基体开始发生塑性变形的临界温差ｔ＿ｐ，其值随增强体体积分数Ｖ＿ｐ增加而降低。除组元间热膨胀系数差和弹性常数外，基体材料本构关系和屈服强度对热应力和残余应力均有很大影响。随Ｖ＿ｐ增加，微观应力和水静宏观应力幅值上升。但粒子周围塑性区尺寸近似与Ｖ＿ｐ无关。给出了不同变温条件下残余应力的确定方法。     

颗粒增强复合材料的界面开裂与尺度效应

采用基于Huang等提出的塑性应变梯度传统理论发展的有限元方法,模拟了颗粒增强金属基复合材料的界面开裂与颗粒尺度效应.分别针对考虑颗粒与基体间界面开裂和不开裂两种情况进行分析,并将考虑界面开裂的模拟结果与实验结果进行比较,证明了模型的有效性,同时也获得应变梯度理论中所包含的材料特征尺度参量的取值.     

扩展有限元法(XFEM)及其应用

扩展有限元法(extended finite element method,XFEM)是1999年提出的一种求解不连续力学问题的数值方法, 它继承了常规有限元法(CFEM)的所有优点, 在模拟界面、裂纹生长、复杂流体等不连续问题时特别有效, 短短几年间得到了快速发展与应用. XFEM与CFEM的最根本区别在于, 它所使用的网格与结构内部的几何或物理界面无关, 从而克服了在诸如裂纹尖端等高应力和变形集中区进行高密度网格剖分所带来的困难, 模拟裂纹生长时也无需对网格进行重新剖分.重点介绍XFEM的基本原理、实施步骤及应用实例等, 并进行必要的评述. 单位分解概念保证了XFEM的收敛, 基于此, XFEM通过改进单元的形状函数使之包含问题不连续性的基本成分, 从而放松对网格密度的过分要求. 水平集法是XFEM中常用的确定内部界面位置和跟踪其生长的数值技术, 任何内部界面可用它的零水平集函数表示. 第2和第3节分别简要介绍单位分解法和水平集法;第4节和第5节介绍XFEM的基本思想、详细实施步骤和若干应用实例, 同时修正了以往文献中的一些不妥之处; 最后, 初步展望了该领域尚需进一步研究的课题.      

结构动力分析自适应有限元方法综述

结构动力分析自适应有限元方法主要研究有限元动力分析的误差估计理论,建立适用于复杂结构动力分析的有限元网格自适应过程．介绍了结构动力问题自适应有限元方法的重要发展,包括固有振动和动响应分析的误差估计及相应的自适应策略;且简要介绍了几种现有的网格生成技术及其特点．最后指出这种方法存在的问题和今后的研究方向．     

非线性复合材料杂交应力有限元的有效迭代方法

推导了面内剪应力应变关系非线性的复合材料的杂交应力有限元列式,给出了位移迭代和应力迭代的策略和步骤.提出一种非线性应力场迭代格式的改进方案,不仅提高了收敛速度,而且克服了大载荷下简单迭代法循环迭代而无法收敛的关键问题,使得所提出的非线性杂交应力元方法几乎对任意大载荷都能够收敛.数值算例表明该方法是确实可行的.     

基于拓展多尺度有限元的点阵材料结构最小柔顺性设计

论文应用拓展的多尺度有限元法(Extended Multiscale Finite Element Method),以微观构件的截面积为设计变量,研究了体积约束下点阵材料构成结构的最小柔顺性设计问题.建立了适应具有复杂几何形状和载荷边界的点阵材料结构的优化模型,应用序列二次规划算法对悬臂梁和L形梁算例在线性边界条件和周期性边界条件下进行了优化设计,讨论了点阵材料微结构尺寸效应对优化结果的影响,验证了优化模型和求解算法的可靠性,为点阵材料应用于复杂实际工程结构的优化设计提供了新的技术手段.     

一种计算复合材料等效弹性性能的有限元方法

在最小二乘意义下提出了一种计算复合材料等效弹性性能的有限元方法.这种方法由于考虑了等效弹性张量各分量之间的耦合关系,所求得的等效弹性常数比传统方法更可靠,可适用于求解含任意形状的夹杂和夹杂物问题.通过算例计算了在不同弹性模量对比度下两相复合材料的等效弹性性能,并与相关的理论及数值结果进行了比较,结果表明,利用该方法计算含夹杂复合材料等效弹性常数是可行的.     

基于扩展多尺度有限元法的含液闭孔材料拓扑优化

基于扩展多尺度有限元方法,提出了含液闭孔结构多尺度拓扑优化方法.该多尺度优化方法旨在研究含液闭孔胞元布局对整体含液闭孔结构力学性能的影响.首先针对含液闭孔结构的整体结构柔顺性问题,采用类似SIMP模型对结构的宏观粗网格等效刚度阵进行插值,建立含液闭孔结构柔顺性的拓扑优化列式;其次,针对含液闭孔材料能够利用胞体内部液体腔体积增量产生变形的特性,提出含液闭孔材料柔性机构的概念,并以结构指定位置方向输出位移为目标,建立液体体积膨胀作用下的含液闭孔柔性机构多尺度拓扑优化数学模型.论文基于自主软件平台SiPESC完成了程序研发,并通过数值算例验证了所提出的拓扑优化方法的有效性.     

状态向量的扩展有限元方法研究

利用哈密顿正则方程的半解析法计算单元位移场和应力场,可以得到精度比较高的解.但此半解析法在计算应力尖峰区域时,该区域要细化网格.当裂纹扩展时,又要重新生成刚度矩阵进行求解,导致求解效率降低.利用扩展有限元处理裂纹的不连续性,当裂纹扩展时可以避免网格的重构.为充分利用状态向量方程和扩展有限元的优势,该文将两者结合起来分析材料的断裂问题:计算应力强度因子和模拟裂纹扩展.最后通过算例分析,验证了该文提出方案的可行性.     

冲击载荷作用下结构动态响应分析的罚函数有限元法

基于罚函数法，根据接触－冲击问题的边界条件，运用双线性参数法推导出用有限元模拟三维接触－冲击问题的具体算法，并对杆和梁在冲击载荷下的动态响应进行了仿真分析，取得较好计算结果。     

考虑不确定性因素的有限元屈曲模型验证

研究了考虑不确定性因素的有限元屈曲模型验证和确认方法,提出了不确定参数选择的相关性和敏度分析方法以及基于面积度量的模型评估方法.针对化铣整体壁板,开展了有限元屈曲模型验证研究,首先利用8件试验件,获得了壁板屈曲载荷的试验值,然后依据试验加载情况,建立了考虑试验台的壁板有限元模型,最后利用面积度量方法对有限元模型进行了验证和确认.本文的模型验证和确认方法可为其他工程结构开展类似的工作提供借鉴.     

MODE III 2-D FRACTURE ANALYSIS BY THE SCALED BOUNDARY FINITE ELEMENT METHOD

The scaled boundary finite element method （SBFEM） is a novel semi-analytical technique that combines the advantages of the finite element method and the boundary element method with unique properties of its own. This method has proven very efficient and accurate for determining the stress intensity factors （SIFs） for mode I and mode II two-dimensional crack problems. One main reason is that the SBFEM has a unique capacity of analytically representing the stress singularities at the crack tip. In this paper the SBFEM is developed for mode III （out of plane deformation） two-dimensional fracture anMysis. In addition, cubic B-spline functions are employed in this paper for constructing the shape functions in the circumferential direction so that higher continuity between elements is obtained. Numerical examples are presented at the end to demonstrate the simplicity and accuracy of the present approach for mode Ⅲ two-dimensional fracture analysis.