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．     

加筋材料的格形模型和统计数值方法

本文采用格形化方法和统计技术建立加筋复合材料有限元力学模型，使用自动选取载荷步长方法和非平衡迭代技术，对加筋复合材料的宏观等效模量和破坏全过程进行了数值模拟，分析了材料分布的非均匀程度，相对体积比和横截面加筋分布方式对加筋复合材料整体宏观等效模量和承载力的影响。     

用于准脆性材料破坏过程数值模拟的虚拟连接单元法

将有限变形单元与虚拟连接单元相结合,用于模拟准脆性材料破坏过程.首先基于精确的有限变形理论,采用第二类Piola-Kirchhoff应力与Green-Lagrange应变作为能量共轭的应力、应变对,推导出虚拟连接单元的单元刚度矩阵;通过数值算例,验证该单元的正确性与合理性,给出虚拟连接单元高度的取值范围,并与无此单元时的数值结果对比,给出误差分析;最后对典型的混凝土梁三点弯曲问题进行了数值模拟,其裂纹的产生、扩展与文献结果一致,论文为结构破坏过程的数值模拟提供了新方法和新思路.     

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。     

非均匀脆性材料EOI试验模拟中的动接触法

基于动接触力二步法和有限元原理,从数值模拟角度揭示了碰撞接触-分离过程。本文首先通过建立两杆撞击模型,与ANSYS_LSDYNA结果对比分析,验证了该方法的可靠性;然后进一步基于细观线性行为可以反映宏观非线性行为的原理,根据材料内部应力状态进行损伤判断,成功模拟了EOI（Edge-On Impact test侧向撞击试验）的裂缝扩展过程。通过与前人的研究成果进行对比验证,肯定了该方法对于研究碰撞问题有较高的效率和可靠度,对于研究碰撞问题有较高的参考价值。     

受拉钢筋混凝土构件破坏过程的数值模拟

采用三维材料破坏过程分析MFPA3D系统,对钢筋混凝土构件轴心受拉条件下的受力、变形与内部裂纹萌生、扩展及最终破坏全过程进行了数值试验研究。数值模型中引入统计分布函数反映了混凝土的非均匀性影响,并采用具有残余强度的弹性损伤本构模型及其破坏单元材料性质退化方法,利用位移加载方式对钢筋混凝土构件实施拉伸加载。通过对钢筋、素混凝土方形体以及钢筋混凝土方形柱体构件在拉伸作用下破坏过程的数值试验,分析了钢筋与混凝土两种材料之间的相互作用、约束机理和破坏机理。数值试验成果对于深入了解钢筋和混凝土的联合受力规律和钢筋在开裂前后对整体钢筋混凝土结构的作用机制有参考价值。     

脆性材料破坏模拟的网格生成算法

脆性材料的破坏过程具有随机性,当前的网格生成算法没有充分考虑脆性材料破坏时裂纹扩展和碎块生成的随机性。在Persson网格生成算法与Delaunay随机网格剖分理论基础上,提出了一种可根据模拟需要动态控制网格品质的网格生成算法。通过对随机分布点的Delauna三角化,生成初始网格,然后将网格体系比拟为桁架结构,网格节点即为桁架节点。桁架节点在虚拟力作用下可动态调整位置,并最终达到整个体系受力平衡。对Persson 算法中的尺寸分布函数和收敛条件进行了修正,从而提高了收敛速度,并适用于任意形状对象的网格剖分。 基于VC++平台开发了算法程序。通过实例对算法进行了验证,表明算法能够满足脆性材料破碎模拟的需要。     

模拟岩石材料脆性破裂过程的三维离散元模型

发展一种能够模拟岩石材料脆性破裂过程的三维不规则、可变形块体离散元模型. 一方面,在裂纹扩展过程中动态地将潜在破坏的连续块体沿潜在破坏方向细化为若干子块体,并在子块体之间的界面上设置连接型弹簧;另一方面,连接型弹簧在满足张拉-剪切复合破坏准则时发生脆性破裂,转变为接触型弹簧,实现材料由连续到非连续的破裂. 借助动态松弛技术完成求解,通过计算实例验证该方法的适用性.     

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。     

混凝土三点弯曲试件破坏过程的数值模拟

根据混凝土试件三点弯曲试验的物理模型,用MFPA数值模拟软件分别对砂浆和混凝土的三点弯曲试件的破坏全过程进行模拟．给出两个试件的载荷与加载点位移关系曲线,并进行了对比分析．     

三维非均匀介质中弹性波传播的数值模拟

提出了一种三维非均匀介质中弹性波传播数值模拟的方法,文中称为三维格子法.该算法是二维格子法(一种二维非均匀介质中P-SV波传播的数值模拟算法)向三维非均匀介质情况的推广.在空间离散上该文方法与有限元方法类似,容许根据连续体的形状和介质分界面任意剖分网格,且自然满足自由表面边界条件.不同于常规有限差分法在各个节点上满足动力学微分方程,该算法通过满足各节点周围格子的整体平衡(积分平衡方程)来对问题进行求解.三维格子法所需的计算机内存及计算耗时与同阶精度的规则网格有限差分法相当.算例表明,该文提出的三维格子法具有较高的精度且可很好地模拟三维复杂形状地表对弹性波的反射和绕射.     

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.     

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.     

脆性材料动态断裂数值模拟

本文借鉴于Perzyna 的基本思想及Seaman 等人的实验结果,提出了一个脆性材料动态断裂模型.利用本文的模型对Cochran 的实验结果进行了数值模拟,其计算结果比Cochran 的计算结果与实验吻合得更好.     

脆性岩石破裂过程损伤与渗流耦合数值模型研究

大量的实验结果表明，脆性岩石的渗透性不是一个常量，而是应力和应力诱发损伤破裂的函数．建立了一个描述非均匀岩石渗流-应力-损伤耦合数学模型(FSD Model)，开发出岩石破裂过程渗流-应力-损伤耦合分析计算系统(F-RFPA^2D)．在该系统中，单元的力学、水力学性质根据统计分布而变化，以体现材料的随机不均质性，材料在开裂破坏过程中流体压力传递通过单元渗流-损伤耦合迭代来实现．该系统能够对岩石试件在孔隙水压力和双轴荷载作用下裂纹的萌生、扩展过程中渗透率演化规律及其渗流-应力耦合机制进行模拟分析．最后，给出两个算例：算例1模拟载荷作用下岩石应力应变-渗透率全过程．模拟结果表明，非均匀性对岩石的应力峰值强度、峰值前后其渗透性演化规律及其破裂机制影响十分明显，模拟结果和实验结果较为一致；算例2模拟孔隙水压力作用下岩石拉伸断裂过程，通过和物理实验对比验证，验证了模型计算结果的可靠性。     

敦煌莫高窟潜在地震变形数值模拟

在研究莫高窟地区地震地质条件及潜在地震危险性分析的基础上,基于地震的断层弹性位错理论,采用位移水平分布的抛物线模型,假定三危山断层分别发生5.5、6.0和6.5级地震情况下,用三维有限元的方法分析计算了莫高窟地区的潜在地震变形。给出了在震级5.5、6.0及6.5级三种情况断层逆冲和水平走滑两种活动方式下,莫高窟区的地震位移和应变值,供石窟的抗震设防加固设计参考。     

格构细胞机模型在岩石劈裂过程中的数值模拟研究

基于弹塑性损伤理论,结合格构细胞机以及格构模型的优点,提出了格构细胞机模型,用于模拟岩石的劈裂破坏机理并取得了较好的结果.