各向异性材料疲劳损伤模拟

根据连续损伤理论，考虑到了损伤能释放率等引起损伤的重要因素，提出了一个各向异性疲劳损伤模型。此模型结构简单，适用于各种各向异性材料。利用该模型对玻璃聚酯复合材料层板在单向受力情况下进行了寿命预测，预测值与实验值符合较好     

高周疲劳各向异性损伤问题研究

引用损伤力学方法研究金属构件疲劳问题，并采用微结构力学模型建立了各向异性疲劳损伤本构关系与附加力-有限元解法，以损伤划分步长预估了构件疲劳裂纹形成与扩展寿命．用这一方法预估30CrMnSiNi2A材料含缺口圆棒试件全寿命．结果表明，理论S—N曲线与试验S—N曲线吻合良好．该方法所需机时较少，可用于工程实际构件的疲劳寿命预估及抗疲劳优化设计．     

低温荷载下沥青路面非线性疲劳损伤数值模拟

为了研究沥青路面结构在温度荷载作用下的疲劳损伤特性,运用通用有限元软件ABAQUS及其二次开发平台,建立了考虑路面材料非线性疲劳损伤的沥青路面结构数值计算模型。分析了沥青路面结构损伤、水平拉应力基于温度荷载重复作用,随空间与时间的变化规律,以及沥青路面裂纹形成寿命。结果表明:损伤主要分布在沥青面层;随着温变次数的增加,面层表面的损伤度呈线性增加;面层表面损伤度均随着面层模量与温变幅度的增加而增加;面层表面水平拉应力随着温度变化次数的增加,以线性特征逐步减小;面层表面水平拉应力随着面层模量与温变幅度的增加均是先增大后减小,有一个峰值点;沥青路面面层的温度型裂纹疲劳形成寿命与面层模量有关,模量越大,裂纹形成疲劳寿命越短,因此从温度疲劳寿命的角度来说,面层不宜选择模量过大的沥青混合料。     

各向异性损伤力学在螺纹疲劳寿命预估中的应用

引用损伤力学方法研究金属构件疲劳问题。在微结构力学模型基础上建立轴对称的各向异性疲劳损伤本构关系,通过有限元-附加力解法编制考虑各向异性损伤的有限元程序。应用引入门槛条件的损伤演化方程,并以损伤划分步长预估了构件疲劳裂纹形成与扩展寿命。用这一方法预估30CrMnSiNi2Aφ5和φ8螺栓全寿命。结果表明,理论S-N曲线与试验S-N曲线吻合良好并且门槛条件对修正低应力下疲劳寿命有很好的效果。本方法所需机时较少,可用于工程实际构件的高周疲劳寿命预估及抗疲劳优化设计。     

各向异性柔性壁上二维T-S波演化的数值研究

受自然界鸟类羽毛的柔性特征启发,利用数值模拟的手段进行了各向异性柔性壁面对亚音速边界层中T-S(Tollmien-Schlichting)波空间演化的影响研究.首先,刚性壁面上的数值结果与线性理论预测的结果吻合得很好,验证了所采用的高阶精度格心型有限差分方法的可靠性.在此基础上,将部分刚性壁面替换为柔性壁面,结果表明柔...     

一个修正的金属材料低周疲劳损伤模型

疲劳破坏是金属最常见的失效形式之一.基于连续损伤力学理论和能量原理,论文提出了一个修正的金属材料低周疲劳损伤演化方程,该方程综合考虑了材料的塑性强化、微裂纹闭合效应等因素对损伤累积的影响.将修正后的损伤演化方程以UMAT子程序的形式导入有限元计算软件ABAQUS之中,建立了疲劳损伤的计算模型,并以铝合金7050-T7451为例对该模型的有效性和适用性进行了验证.     

复杂应力状态镍基单晶合金低周疲劳损伤模型

根据连续介质损伤力学理论,采用应变能释放率作为热力学广义力描述正交异性材料的疲劳损伤过程,引入取向函数考虑镍基单晶合金晶体取向对疲劳损伤的非线性影响,提出了一个各向异性疲劳损伤模型。应用多元线性回归分析方法,拟合疲劳试验数据可确定模型参数。从应变能释放率的应变空间表达式出发,导出了含有3个弹性常数的单晶合金应变三轴性因子,它既反映了材料性能的晶体取向相关性,又反映了正应力和剪应力的相互作用,并可退化为各向同性材料的应变三轴性因子。利用该模型对CMSX-2镍基单晶合金在应力控制对称循环拉-扭载荷作用下的低周疲劳寿命进行预测,预测值与试验值吻合的相当好,试验所得数据均落在2.2倍偏差的分布带内。     

沥青混合料疲劳过程的损伤力学分析

采用损伤力学方法研究沥青混合料的疲劳失效问题。针对悬壁梁弯曲疲劳试件,推导出疲劳过程中应力场、损伤场和疲劳裂纹形成寿命的工程封闭公式。根据沥青混合料特点,提出一种模拟疲劳裂纹扩展的特征单元失效模式,从而将疲劳裂纹形成与扩展两个阶段统一用损伤力学理论进行描述和分析。本文对沥青混合料试件的疲劳裂纹形成寿命与扩展寿命分段进行了预测,还对疲劳过程中刚度衰减及位移幅值的演化过程进行了数值模拟计算。理论预期与实验结果吻合良好。     

增量型各向异性损伤理论与数值分析

考虑到目前各向异性损伤理论存在一些不足,该文在增量型各向异性损伤理论的框架下,引入二阶对称张量,构造四阶对称有效损伤张量,建立了有效应力方程.类似于塑性流动分析方法,定义了增量弹性应力-应变关系.利用von Mises塑性屈服准则,并考虑各向异性损伤效应,推导出四阶对称的弹-塑性变形损伤刚度张量,其对称性反映了材料的固有特性.根据物体的变形和现时损伤状态,构造了材料损伤演化方程,方程中各项具有明确的物理意义.通过对Al2024-T3金属薄板单向拉伸的有限元分析,确定了损伤演化参数,验证了损伤演化方程的正确性.此外还对含孔口薄板做有限元模拟,讨论了反力-位移曲线的变化规律以及它所揭示变形性质,给出了损伤场的分布规律.     

热力学相容的混凝土各向异性单边损伤模型

微裂缝演化(损伤)引起的各向异性和单边效应,对于混凝土材料和结构的变形和内力有非常重要的影响. 在描述单边效应时,已有的各向异性损伤模型均会得出与热力学基本原理相矛盾的结论即损伤卸载时能量耗散不为零. 基于不可逆热力学和内变量理论,直接以材料柔度张量的增量作为损伤内变量,建立了各向异性单边损伤模型的一般形式,给出了热力学相容的投影算子,推导了模型的率本构关系.文中详细发展了模型的Newton-Raphson数值实现算法及其算法一致性模量,建立了合理的损伤准则和演化法则并应用于混凝土材料. 数值模拟结果初步验证了建议模型的有效性. 需要说明的是,模型完全构筑于热力学基础上,无需引入应变 等效或应变能等效等经验性假定.      

耦合路面损伤的车辆随机动荷载特性研究

为准确分析车辆对不平整路面作用的实际动荷载,在传统计算方法的基础上,进一步考虑了永久变形和平整度劣化等路面损伤累积的影响,提出了耦合损伤的车辆随机动荷载分析方法.通过计算轴载作用下路面各点的永久变形,推导路面不平整度的更新方程,将其引入车-路系统动力方程,采用Matlab编制求解程序,即可得到任意时间路面各点受到的车辆随机动荷载序列.基于该方法分析了车辆随机动荷载沿轮迹的分布变化,研究了随机动荷载系数随轴次的演化规律.结果 表明,车辆随机动荷载是随时间逐渐增大的动态演化过程,其沿轮迹的分布具有空间可重复性,随着轴载作用,动荷载的离散程度增大,将引起路面各点的损伤累积差异增大;而车辆行驶速度越低,新建路面越不平整,动荷载随时间演化速率越快,对路面造成的损伤越大.     

滚圈疲劳损伤危险点应力-时间历程数值模拟

为了更加科学准确地编制滚圈疲劳损伤危险点的疲劳载荷谱,以广泛应用于大型回转窑的箱型滚圈为研究对泉,对滚圈进行了力学分析.确定了滚圈与筒体、托轮接触的边界条件.综合考虑力和温度的影响因素,建立了滚圈托轮的接触体系模型.针对孔缘危险点,分别作滚圈最低点的孔中心处于0°、3.75°、7.5°三个时刻的稳态热力耦合有限元分析,选取滚圈圆周方向上的应力作为疲劳载荷谱的载荷应力,得出了孔缘危险点的疲劳载荷谱,该载荷谱反映出了温度和截面周期性变化对应力状态的影响,为后续的滚圈强度与疲劳寿命分析提供依据.     

基于能量耗散分析的混凝土随机疲劳损伤模型

基于微-细观随机断裂模型(MMSF)发展了一类混凝土随机疲劳损伤模型。该模型将MMSF中的微弹簧视为一能量耗散单元并考察了其跨尺度的能量耗散过程。在纳观尺度,引入速率过程理论描述裂纹的扩展速度,并基于裂纹层级模型和自相似假定完成从纳观尺度到微观尺度的过渡。由此建立了微弹簧在疲劳荷载作用下的多尺度耗能描述。此外,为了考虑疲劳加载中混凝土多条裂纹的相互影响,引入了包含损伤扩展效应和损伤愈合效应的疲劳损伤因子来修正耗能表达。通过与相关试验的对比,证明了该模型能反映疲劳荷载作用下混凝土的主要力学行为,如疲劳损伤三阶段特点、疲劳寿命的离散性和疲劳寿命随加载频率的变化趋势等。     

On the description of anisotropic damage in composite laminates

A general anisotropic damage theory of cracked laminates is formulated here. The deformation of composite laminates is composed of matrix elastic strains, pseudo-elastic damage strains due to cracking and permanent damage strains due to interlaminar slip. The surface of damage initiation is constructed according to the concept of linear elastic fracture mechanics for the virgin material. After the initial damage, a pesudo-elastic damage can be used to describe the damage behaviour if interlaminar slip is negligible. Damage evolution, load induced anisotropy and interlaminar intralaminar interaction for composite laminates are examined; the latter can perturb the normality structure of damage strain rate. Explicit expressions are given for pseudo-elastic (or secant) moduli of the damaging composite laminates, under a non-interacting assumption imposed on the cracks between different families.     

Experimental and theoretical study on numerical density evolution of short fatigue cracks

Fatigue testing was performed using a kind of triangular shaped specimen to obtain the characteristics of numerical density evolution for short cracks at the primary stage of fatigue damage. The material concerned is a structural alloy steel. The experimental results show that the numerical density of short cracks reaches the maximum value when crack length is slightly less than the average grain diameter, indicating grain boundary is the main barrier for short crack extension. Based on the experimental observations and related theory, the expressions for growth velocity and nucleation rate of short cracks have been proposed. With the solution to phase space conservation equation, the theoretical results of numerical density evolution for short cracks were obtained, which were in agreement with our experimental measurements. The project supported by the National Natural Science Foundation of China and the Chinese Academy of Sciences.     

Effect of low cycle fatigue pre-damage on very high cycle fatigue

Carbon-manganese steel is often applied in components of pipes in nuclear plant. Ultrasonic fatigue tests following low cycle fatigue (LCF) cycles damaged are used to study the strength of very high cycle fatigure (VHCF). The comparison of test results of simple VHCF and cumulative fatigue (LCF plus VHCF) shows that LCF load influences the following VHCF strength. Continuum damage mechanics model is extended to VHCF region. The effect of LCF load on VHCF is studied by an improved cumulative damage model.     

A stochastic theory of cumulative fatigue damage

A stochastic theory for the cumulative fatigue damage of structural components with random fatigue strength under random loading is proposed on the basis of Stratonovich-Khasminskii theorem. The analytical solutions for the probability densities of the cumulative fatigue damage and fatigue life and for the reliability function are given for steel and reinforced concrete components with constant fatigue strength subject to a narrow band stationary Gaussian stress process with zero mean. The results agree very well with those of digital simulation. It is noted that the theory can be applied, in principle, to both metallic and non-metallic materials, narrow band and wide band stress process, and adapted to a sequence ofn, stationary stress processes or quasi-stationary stress process. The scatter and degradation of fatigue strength and the inspection maintenance can also be incorporated into the theory.     

A statistical theory of fatigue crack growth at damage cumulation

Summary A statistical theory of the fatigue crack growth at damage cumulation is proposed. The theory gives the average of fatigue crack length at any time t, and deduces the evolution of failure probability with time varying. Furthermore, the variance and relative error of fatigue crack length at any time t are acquired. The Paris equation for the average of the crack length at any time t is derived from the statistical theory. Therefore, the prediction of the probability distribution of the crack length can be given for any time t. Actual applications of the theory are given, which conform to the experiments. Accepted for publication 17 June 1996     

冲击载荷作用下路面结构的沉降及破坏特征

随着公路在导弹的无依托随机发射中扮演更加重要的角色,研究发射期间其在发射筒冲击载荷作用下的沉降及破坏特征对提高我国武器威慑力具有重要意义。选择低等级道路结构为研究对象,基于河南省、山东省、云南省及广东省的低等级道路统计信息,建立典型低等级道路结构的1/4简化计算模型,采用一种基于有限元和离散元耦合的显式数值分析方法CDEM,并引入塑性-局部化-破裂耦合的本构模型,实现冲击载荷作用下路面沉降的三维全时程模拟,显式地展现裂纹萌生和扩展过程,实现路面结构从连续状态到非连续状态的过渡。通过与落锤弯沉仪试验的监测结果对比验证道路简化模型的正确性及CDEM的计算精度,随后各选取一个沥青混凝土和水泥混凝土道路结构进行数值模拟,并从沉降量、破裂度、破坏特征等方面分析。计算结果表明：沉降量时程曲线与冲击载荷时程曲线变化趋势一致,沉降量在冲击载荷峰值点处达到最大值;破裂面主要产生于冲击载荷急剧增大时期,约占最终全部破裂面积的97%;破裂面大体分为路面结构层内的竖向破裂面和层间的水平破裂面,破坏类型包括拉伸破坏与剪切破坏;路面结构上部易产生环状破裂面,下部易产生径向破裂面。

     

宏微观渐进展开损伤本构模型及其在碳纤维增强复合材料中的应用

基体开裂、纤维拔出、界面剥离等是碳纤维增强复合材料常出现的局部各向异性损伤现象,这些损伤逐渐扩展,削弱了材料的强度和刚度,影响材料的承载能力.对此利用宏微观摄动理论对位移进行双范围渐进展开,在微观位移中引入损伤应变,通过计算损伤应变集中因子,得到了含损伤的均质化损伤弹性常数(宏观有效刚度矩阵),用平均法和混合法检验了无...