基于定量内聚力模型的金属陶瓷界面强度的研究

建立了一个基于分子之间范德华作用力的内聚力模型,并将其应用于小尺寸范围.通过该模型研究了纳米金属陶瓷交界面的结合强度,交界面的内聚力强度与内聚能和纳米金属陶瓷的界面原子密度以及范德华力的相关参数有关.模型结果显示,界面距离h和张开位移v对法向内聚应力σcohesive有很大影响,而晶粒尺寸d对其影响不大;切向内聚应力τcohesive与滑移位移u和晶粒尺寸d都有关系.该模型还可以用于其它以范德华力为主要机制的未完全粘合界面的情况.     

内聚力模型裂纹问题分析的解析奇异单元

内聚力模型已经被广泛应用于需要考虑断裂过程区的裂纹问题当中,然而常用的数值方法应用于分析内聚力模型裂纹问题时还存在着一些不足,比如不能准确的给出断裂过程区的长度、需要网格加密等。为了克服这些缺点,论文构造了一个新型的解析奇异单元,并将之应用于基于内聚力模型的裂纹分析当中。首先将虚拟裂纹表面处的内聚力用拉格拉日插值的方法近似表示为多项式的形式,而多项式表示的内聚力所对应的特解可以被解析地给出。然后利用一个简单的迭代分析,基于内聚力模型的裂纹问题就可以被模拟出来了。最后,给出二个数值算例来证明本文方法的有效性。     

脆性固体中内聚断裂点阵列的扩张行为及间隔影响

建立一个一维模型, 分析脆性材料中多个等间距虚拟断裂点在均匀应变率拉伸作用下的扩张断裂过程. 采用线弹性波动方程组描述材料内部动力学关系, 采用线性内聚力断裂模型(linear cohesive fracture model)描述虚拟断裂点的扩张行为, 根据初始均匀拉伸条件和虚拟裂纹等间距假设给出定解条件, 形成一个初边值问题. 采用Laplace变换方法求解控制方程组, 得到虚拟断裂点扩张过程中内聚应力随时间变化曲线, 以及发生完全断裂的临界时间和单位裂纹体(碎片)的临界膨胀位移. 在此基础上分析应变率和裂纹间距对碎裂发生时间及单元裂纹体临界膨胀位移的影响. 在假设脆性材料在自然碎裂过程中单元裂纹体临界膨胀位移最小的基础上,进一步研究应变率对碎片尺度的影响.      

纳米悬臂梁Si/Cu界面破坏的弹塑性内聚力模拟

实验测试表明[Thin Solid Films 516: 1925-1930],纳米悬臂梁Si/Cu/SiN/Pt/C在弯曲载荷作用下发生沿Si/Cu界面的分层破坏,其载荷—位移曲线表现出明显的非线性行为。本文基于连续介质力学模型,对该实验观察到的界面裂纹萌生和沿界面扩展过程进行了数值模拟计算与分析。模拟计算中,采用指数型内聚力来表征Si/Cu界面本构关系,对Cu薄层分别按照线弹性和遵守Ramberg-Osgood型弹塑性本构关系来处理。通过与实验结果校准的方法,确定了该纳米悬臂梁中Si/Cu界面的结合强度诸参数。研究发现,内聚强度和内聚能是该内聚力模型的主导性参数;Cu薄膜层遵从线弹性本构关系更为适合于描述Si/Cu界面的分层破坏;与块体材料相比,纳米尺寸的Cu材料表现出很高的屈服应力和硬化指数,因此在整个过程中产生的塑性变形很小,这与前述的实验结果是一致的。     

裂纹扩展过程中线性内聚力模型计算的半解析有限元法

提出了求解基于线性内聚力模型的平面裂纹扩展问题的半解析有限元法,利用弹性平面扇形域哈密顿体系的方程,通过分离变量法及共轭辛本征函数向量展开法,推导了一个环形和一个圆形奇异超级解析单元列式,组装这两个超级单元能准确地描述裂纹表面作用有双线性内聚力的平面裂纹尖端场。将该解析元与有限元相结合,构成半解析的有限元法,可求解任意几何形状和载荷的基于线性内聚力模型的平面裂纹扩展问题。典型算例的计算结果表明本文方法简单有效,具有令人满意的精度。     

氢原子在裂纹端点区的漂流与减内聚力模型

根据Barenblatt的设想,接近裂纹端部的裂纹面间应有内聚应力,应力峰值即为内聚强度。本文采用Schmidt和Woltersdorf考虑内聚应力影响的裂端应力场,在基于立方晶胞因为有氢原子存在而发生四方变形的假设下,建立了氢原子在裂端区的漂流模型。模型指出氢原子可从裂纹面漂流到裂端前的一个小区域,降低了该区域的应变能密度和晶体平面间的内聚强度。研究结果还发现,当变形的晶胞是沿[100]方向延长,且裂纹面是在(100)平面时,裂端有最大的氢浓度,同时内聚强度也减少最多;即氢引致的开裂平面是最可能发生在(100)平面系。讨论中,将模型的预测与实验结果进行了比较,并把模型推广到氢引致晶间开裂的情形。     

等离子喷涂镍基合金涂层内聚强度的截面划痕表征

制备了3类不同成分的等离子喷涂Ni Cr BSi涂层,利用截面大载荷划痕测试方法表征了涂层内聚结合强度,评价了涂层在油润滑条件下的滑动磨损行为,讨论了涂层内部残余应力、显微硬度、内聚强度与涂层耐磨性之间的内在关联.结果表明:在本文所用涂层沉积与划痕测试条件下,Ni Cr BSi涂层内聚强度的高低次序为Ni25Ni35Ni45,涂层显微硬度的高低次序与喷涂原始粉末硬度次序同为Ni25Ni35Ni45;涂层耐磨性与显微硬度间无对应关系,而与内聚结合强度关系密切,三种涂层耐磨性高低次序为Ni25Ni35Ni45;Ni Cr BSi涂层在低载荷条件下的磨损失效形式主要为磨粒磨损,随着载荷增加,涂层内部微小孔隙、裂纹等缺陷在残余拉应力和摩擦剪切力作用下诱发裂纹扩展并引发材料剥落,使疲劳剥落主导了涂层的磨损失效.     

一种实验与数值模拟相结合的内聚力区参数反解算法

随着内聚力模型的应用越来越广泛,获得材料内聚力区参数成为了材料断裂行为研究的一个重要内容。本文提出了一种实验测量与数值模拟相结合的材料内聚力区参数反解方法。该方法首先利用数字图像相关方法测量试件裂纹尖端的内聚力区分离量,然后利用数值辅助场以及交互J积分与路径无关的性质反解内聚力区牵引力。本文利用数值实验验证了这一方法的有效性,并对反解过程中积分路径、网格密度等因素对求解结果的影响进行了讨论。最后,利用本方法求取了20%体积含量随机云杉短纤维增强聚丙烯复合材料(云杉/PP复合材料)的内聚力区参数。     

两种正交异性材料界面上裂纹冲击后的动态响应

本文研究了两种不同正交异性材料界面半无限长裂纹，在冲击荷载下的动态弹塑性响应。通过积分变换，Ｗｉｅｎｅｒ－Ｈｏｐｆ方法和Ｃａｇｎｉａｒｄ－ｄｅＨｏｏｐ反演围通技术，求得一般解析解，获得了该裂纹的动应力强度因子；通过采用Ｄｕｇｄａｌｅ模型，建立了裂纹尖端塑性区延伸速度与裂纹扩展速度的关系，以及动态ＣＯＤ与裂纹扩展速度的关系。     

爆炸载荷下板条边界斜裂纹的动态扩展行为

为了研究爆炸应力波作用下板条边界斜裂纹的动态扩展行为,首先分析了爆炸应力波在含边界斜裂纹板条中的传播,其次采用动态焦散线实验方法,进行了爆炸载荷下板条边界斜裂纹扩展规律的实验研究.研究结果表明,爆炸应力波作用下,板条试件边界斜裂纹的扩展过程中,裂纹扩展速度、扩展加速度和裂尖动态应力强度因子随时间波动变化,扩展速度最大值...     

Elastoplastic finite element analysis of three-dimensional fatigue crack growth in aluminum shafts subjected to axial loading

We have developed a three-dimensional cohesive element and a class of irreversible cohesive laws which enable the accurate and efficient tracking of three-dimensional fatigue crack fronts and the calculation of the attendant fatigue life curves. The cohesive element governs the separation of the crack flanks in accordance with an irreversible cohesive law, eventually leading to the formation of free surfaces, and is compatible with a conventional finite element discretization of the bulk material. The versatility and predictive ability of the method is demonstrated through the simulation of the axial fatigue tests of aluminum shafts of Thompson and Sheppard, 1992a, Thompson and Sheppard, 1992b, Thompson and Sheppard, 1992c . The ability of the method to reproduce the experimentally observed progression of beachmarks and fatigue life curves is particularly noteworthy.     

考虑粘结面厚度的局部粘结单元法

传统无厚度粘结单元法CFEM (Cohesive finite element method)在模拟脆性材料断裂方面具有很强的优势,但也存在很大问题.一是单元尺寸增大,收敛性变差;二是单元尺寸变小,模型刚度发生折减.为了克服这两个问题,发展了考虑厚度的局部粘结单元法,即在裂纹可能扩展区插入具有一定厚度的粘结面单元.粘结面单元采用拓展虚内键本构(Augmented virtual internal bond)描述.由于考虑了厚度,粘结面交叉处会形成多边形空缺.为了弥补这一空缺,将其看作多边形键元胞,采用离散虚内键模型(Discretized virtual internal bond)对其建模,保证了模型的几何完整性.模拟结果表明,本文方法有效,克服了传统CFEM方法的刚度折减问题,提高了计算稳定性和收敛性.     

数学网格和物理网格分离的有限单元法(I):基本理论

常规有限单元法在复杂边界问题的网格剖分、可移动边界和非连续变形问题的数值模拟等方面存在困难.本文将常规的有限单元分离为几何上相互独立的数学单元和物理单元,基于数学单元构造近似函数,引入位移模式关联法则以确定物理单元的位移模式,提出了在现有有限单元法框架内、基于数学网格和物理网格分离的强化有限单元法(FEM++).与常规有限单元法(SFEM)比较表明,强化有限单元法不仅很好地克服了常规有限单元法网格剖分上的困难,而且提供了一条更简便、更自然的分析移动边界问题和非连续变形问题的新途径.最后,通过数值算例验证了强化有限单元法的适用性和有效性.     

数学网格和物理网格分离的有限单元法(II):粘聚裂纹扩展问题中的应用

强化有限单元法将物理网格与数学网格分离开来,可以方便地描述非连续变形;粘聚区域模型是模拟断裂过程区作用最简单有效的方法,且可以避免裂纹尖端的应力奇异性.本文以平面问题为例,将强化有限单元法与粘聚区域模型相结合,利用富集数学节点描述任意粘聚裂纹扩展过程中的非连续变形问题,提出了裂纹扩展过程中数学节点富集和数学单元定义的方法.本文还导出了与平面4～8节点平面等参单元对应的8～16节点粘聚裂纹单元列武.最后,通过三点弯梁的裂纹扩展过程模拟验证了本文提出的粘聚裂纹扩展模拟方法的有效性.     

粘聚裂纹扩展的强化有限元h型网格自适应模拟

非连续变形分析和非规则节点处理是基于单元细划的粘聚裂纹扩展网格自适应模拟的关键。首先,利用强化有限单元法中数学单元和物理单元分离的特点,通过引入过渡单元,将适用于非连续变形描述的数学模式覆盖法和方便处理非规则节点的物理模式重构法结合,提出了强化有限单元法的统一关联法则,并导出了相应的单元列式。其次,基于数学裂纹尖端影响域和裂尖单元尺寸,提出了基于强化有限单元法的粘聚裂纹扩展过程模拟的h型网格自适应策略。最后,通过两个算例验证了本文方法的合理性和有效性。     

基于内聚力理论的二维二次界面单元在ABAQUS中的UEL程序实现

依据有限元理论,结合内聚力模型法则,推导出二维二次粘结界面单元在大位移情况下的数值格式,得到用形函数表示的单元位移模式、载荷向量和刚度矩阵,并进行了离散化。基于ABAQUS软件的自定义扩展模块,编制了相应的用户单元子程序UEL,通过数值算例验证了该程序的准确性和有效性。这一成果能为在ABAQUS软件中开展相关数值研究,以及开发其他类型的内聚力界面有限单元提供思路和参考。     

非网格重剖分模拟宏观裂纹体的扩展有限单元法(Ⅰ:基础理论)

基于有限元计算网格,扩展有限单元法通过建立特殊的广义节点插值形式来描述含裂缝体的不连续位移场,避免了有限元法模拟裂缝时需要的网格重划分。进而,本文从虚功原理出发,在有限元法框架内完整地推导了能模拟宏观裂纹力学场的扩展有限元法实现公式,在理论上更全面地考虑了内部裂纹面上分布外载荷及缝内粘连材料刚度的影响,并提出了构建统一的扩展有限单元刚度阵形成模式,保证了与传统有限单元方式的协调一致。文中对方法的实现过程也做了详细阐述,给出了通用的计算公式,确保了算法的可行性。     

用外包钢筋混凝土法加固RC柱的非线性有限元分析

当今国内外建筑物加固改造业发展非常迅速,建筑业重心也正发生着转变,外包钢筋混凝土加固法是一种广泛应用且经济有效的外固方法,本文结合试验手段。利用非线性有限元方法对用外包钢筋混凝土加固柱正截面承载力进行了分析,分析过程中,采用混凝土Chen-Chen三参数模型和均匀硬化法则,采用了八节点等参混凝土单元,三节点等参钢筋单元,引入了双弹簧联结单元模拟钢筋和混凝土之间的粘结滑移,基于大量试验资料,认为新旧混凝土之间具有有效粘结,可以共同工作,编制了加固柱分析有限元程序,计算结果与试验结果符合较好,并初步探讨了国固时核心柱应力水平,外包混凝土的强度比和厚度比等因素对加固柱承载力的影响,为加固柱研究提供了参考。     

COHESIVE ZONE FINITE ELEMENT-BASED MODELING OF HYDRAULIC FRACTURES

Hydraulic fracturing is a powerful technology used to stimulate fluid production from reservoirs. The fully 3-D numerical simulation of the hydraulic fracturing process is of great importance to the efficient application of this technology, but is also a great challenge because of the strong nonlinear coupling between the viscous flow of fluid and fracture propagation. By taking advantage of a cohesive zone method to simulate the fracture process, a finite element model based on the existing pore pressure cohesive finite elements has been established to investigate the propagation of a penny-shaped hydraulic fracture in an infinite elastic medium. The effect of cohesive material parameters and fluid viscosity on the hydraulic fracture behaviour has been investigated. Excellent agreement between the finite element results and analytical solutions for the limiting case where the fracture process is dominated by rock fracture toughness demonstrates the ability of the cohesive zone finite element model in simulating the hydraulic fracture growth for this case.