剪胶接结构的混合模式断裂分析

给出了Ｇｏｌａｎｄ－Ｒｅｉｓｓｅｎｅｒ型剪接结构的Ｊ积分表达在被粘物体小转角和胶层很薄的假设下与路径无关。Ｊ积分代表胶层厚度与胶层内最大能量密度的乘积。对单剪接接头，本文计算了裂纹在胶层内和界面上两种情况下的局部Ｉ型和Ⅱ型应力强度因子之比，即局部载荷相角，从而给出了单剪接接头的断裂判据。     

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,比如不能准确地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.然后利用一个简单地迭代分析,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论文方法的有效性.     

金属材料层裂破坏的内聚力模型

为了考虑层裂破坏过程中能量耗散行为,论文把内聚力单元嵌入到连续介质有限元单元之间,从而构建了一个层裂破坏的内聚力模型.随后采用该模型对平板撞击条件下的20号钢层裂实验进行了数值模拟研究,重点讨论了内聚力模型特征参数对计算结果的影响规律.研究结果表明采用指数型损伤演化行为的内聚力模型可以较好地描述层裂破坏过程中的能量耗散行为.利用一发实测自由面速度波剖面对计算结果进行校准,确定内聚力模型特征参数.该特征参数可以用于模拟不同撞击速度下的层裂实验,获得的模拟曲线与实验曲线之间符合程度很好,特别是自由面速度“回跳”后波形振荡周期和幅值与实验结果非常接近,这表明了内聚力模型在描述层裂过程中能量耗散行为方面具有较好适用性,并且其参数也具有很好的可移植性.     

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。     

面内裂纹扩展问题的虚拟裂纹闭合法和离散内聚力模型

论文介绍了处理面内裂纹扩展问题的两种断裂单元,分别为处理线性问题的VCCT哑节点断裂单元和处理非线性问题的DCZM断裂单元.并与有限元软件ABAQUS的断裂单元相对比,以验证其计算准确性和对网格、步长等不敏感性,以及计算效率高等特点.     

应用内聚力模型研究人牙本质裂纹扩展的升阻能力

论文采用断裂力学中的内聚力模型,结合有限元法研究裂纹沿牙本质小管和垂直于牙本质小管扩展的断裂韧度.数值模拟结果表明牙本质的断裂韧度随着裂纹扩展而增大,表现出上升的阻力曲线(R-curve)特性,但裂纹沿牙本质小管扩展的断裂韧度要大于裂纹垂直于牙本质小管扩展的断裂韧度,表现出各向异性的裂纹扩展阻力曲线性质.同时论文的研究也表明内聚力模型能够准确预测牙本质的裂纹扩展行为.     

基于内聚力模型的高速水流聚脲基涂层剥离破坏模型研究

冲磨和空蚀破坏是水利水电设施最为常见的病害之一,严重影响水利水电设施的安全运行和效益发挥. 泄洪建筑物通常喷涂聚脲基涂层来提高抗冲耐磨性能,但在泄洪高速水流速度作用下抗冲磨聚脲基涂层的剥离破坏机理的研究尚属空白. 本文基于高速水流的流态形式,提出了高速水流对泄洪建筑物的力学作用模型,水流作用对泄洪建筑物的载荷主要包括拖曳力、冲击力、脉动力和上浮力;采用内聚力模型表征聚脲基涂层与泄洪建筑物防护体界面的剥离破坏过程,建立了高速水流聚脲涂层的剥离破坏模型, 给出了模型的有限元形式方程、本构关系以及损伤起始原则、演化原则和接触碰撞模型. 通过聚脲涂层与混凝土基底的剥离破坏试验,分析了不同剥离倾角下界面剥离破坏的拉应力与倾角之间的变化规律,得到了聚脲涂层剥离破坏过程中应力-$\!$-位移变化关系. 根据剥离破坏试验计算了界面剥离破坏断裂模型参数,采用数值方法对模型进行了验证,试验结果与模型计算结果吻合良好,为泄洪建筑物的抗冲耐磨设计提供理论依据.      

基于弹性-塑性内聚力模型的纤维拔出界面宏观行为分析

用解析法分析了单纤维从聚合物基体中的拔出过程,采用弹性—塑性内聚力模型模拟裂纹的扩展和界面失效,确定了临界纤维埋入长度,该值区分两种不同长度的纤维拔出过程. 在纤维拔出过程,界面经历不同的阶段. 纤维埋长小于临界长度时,界面的脱粘载荷与纤维的埋长成正比;超过临界长度后,界面的脱粘载荷近似为常数. 分析了界面参数对脱粘载荷的影响:增加界面的剪切强度和界面的断裂韧性,或减小界面裂纹萌生位移,均能提高界面的脱粘载荷;界面脱粘后无界面摩擦应力时,拔出载荷—位移曲线的峰值载荷等于界面的脱粘载荷;界面摩擦应力存在时,使峰值载荷大于脱粘载荷,需要较长的纤维埋入长度和较大的界面摩擦应力.      

金属材料三维断裂韧度厚度效应的有限元模拟

随着金属材料大壁厚结构件在工程中的广泛应用,对其断裂韧度的厚度效应研究具有重要的科学意义和工程价值.该研究基于有限元和实验相结合的方法,对金属材料断裂韧度的厚度效应进行预测.首先,通过一组薄壁厚金属材料标准三点弯曲试验得到试样失效时的临界载荷值,并利用内聚力模型与基于虚拟裂纹闭合技术的裂纹扩展模拟方法得到裂纹扩展时的单元临界能量释放率.随后,以此临界能量释放率作为裂纹扩展的启裂准则门槛值,通过有限元计算得到不同试样厚度下裂纹启裂时的裂尖断裂参数随着厚度的变化规律.最后,为了验证有限元模拟结果的准确性,该研究进行了另外两组不同厚度下三点弯曲试样的断裂韧度试验,并将试验结果与有限元结果进行了对比,验证了有限元所模拟的断裂韧度厚度效应的准确性.该研究旨在,通过薄壁厚三点弯曲试样的实验结果结合有限元模拟工作,即可实现金属材料断裂韧度的整个厚度效应曲线,为任意厚度下金属材料断裂韧度预测提供一种可靠的研究方法,有益于缩减试验成本,为大壁厚工程结构件的失效预测提供依据.     

用内聚力模型研究PBGA封装焊点/IMC界面的分层开裂

塑料球栅阵列封装PBGA的可靠性分析中,考虑封装过程中SnAgCu焊料与铜焊盘界面间产生的金属间化合物(Intermetallic compound,IMC)的影响,并引入内聚力模型(Cohesive zone model,CZM),利用ANSYS对热循环作用下焊点/IMC界面的脱层开裂情况进行研究.结果表明:热循环作用下,在封装器件中焊点承受较大的应力应变,且远离中心的外侧焊点具有比内侧焊点更大的应力应变.IMC的存在极大的降低了焊点的可靠性.界面分层最先发生在最外侧的IMC/焊点界面的两端,随着热循环次数的增加,分层逐渐沿着界面两端向里扩展.在热循环的前几个阶段,各个界面的最大损伤值增大较快,随着热循环的继续加载,界面最大损伤值逐渐趋于稳定.整个过程中四号焊点界面的损伤值始终最大.     

复合材料胶接结构有限元分析方法研究进展

胶接结构的强度分析方法可以分为解析法和数值法两类,数值法主要是有限元方法.本文综述了复合材料胶接结构的有限元分析方法,按照胶接结构有限元模型建立的物理机理,将胶接结构力学分析模型分为基于有限元应力分析模型、基于断裂力学模型和基于损伤力学模型3类.详细介绍了这3类模型中的主要有限元建模分析方法:三维应力分析方法、虚拟裂纹闭合技术方法和内聚力模型方法,介绍了每种方法的基本思想、适用范围、优缺点、改进和扩展、有限元建模的实施步骤,以及有限元分析中应用该方法所取得的成果.第五部分从适用范围、应力奇异和破坏判据3个方面对这几种分析模型进行了对比分析.最后,对该领域发展趋势进行了展望.      

含裂纹金属薄板胶接补强的应力分析

本文应用弹塑性有限元分析胶接补强的含裂纹薄板结构,剪切单元被改进使之可连结平面等参单元并用于分析胶层应力。计算了补强后裂纹板的应力强度因子,并将计算结果与实验数据作了比较,分析表明,胶接补强可显著降低裂尖的应力集中,使裂纹板内应力分布趋于均匀。     

含裂纹金属薄板胶接补强的应力分析

本文应用弹塑性有限元分析胶接补强的含裂纹薄板结构,剪切单元被改进使之可连结平面等参单元并用于分析胶层应力。计算了补强后裂纹板的应力强度因子,并将计算结果与实验数据作了比较,分析表明,胶接补强可显著降低裂尖的应力集中,使裂纹板内应力分布趋于均匀。     

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.     

COHESIVE ZONE MODELING OF INTERGRANULAR CRACKING OF INTERMETALLIC COMPOUNDS IN SOLDER JOINTS

为研究焊锡接点金属间化合物微结构对其微观-宏观力学行为的影响,采用Voronoi图算法构造了金属间化合物的晶粒尺度几何模型,通过在晶粒界面配置内聚力界面单元,提出了模拟金属间化合物晶粒界面裂纹起裂、扩展与连通的有限元数值模拟方法。基于该方法,研究了晶粒形状和晶粒界面缺陷对晶界微开裂模式和整体响应的影响,研究了金属间化合物微结构对焊锡接点强度和破坏模式的影响。结果表明,晶粒形状对整体强度影响不大,但对微裂纹开裂模式有影响。当考虑晶界随机缺陷时,强度较低的晶粒界面对整体强度影响较大。金属间化合物层的厚度对焊锡接点强度和破坏模式均有影响,而金属间化合物与焊料界面的粗糙度主要影响焊锡接点的破坏模式。     

混凝土黏聚开裂模型若干进展

黏聚模型是用来描述混凝土断裂行为的基本模型, 首先介绍了混凝土的黏聚开裂模型的基本概念,总结了确定黏聚区的本构方程的各种方法,即直接单轴拉伸测试、J积分方法、R曲线法、柔度法和逆推法.然后介绍了黏聚模型在I型和复合型裂纹问题、疲劳断裂问题中的应用以及黏聚模型与混凝土尺寸效应的关系.最后对黏聚开裂模型与桥联模型、带状裂缝模型进行了比较和总结, 指出了该模型存在的问题, 并对其以后的发展方向提出了建议.      

STUDY ON DEBONDING FAILURE MODEL OF POLYUREA-BASED COATING WITH HIGH VELOCITY WATER FLOW BASED ON COHESIVE ZONE MODEL

冲磨和空蚀破坏是水利水电设施最为常见的病害之一,严重影响水利水电设施的安全运行和效益发挥. 泄洪建筑物通常喷涂聚脲基涂层来提高抗冲耐磨性能,但在泄洪高速水流速度作用下抗冲磨聚脲基涂层的剥离破坏机理的研究尚属空白. 本文基于高速水流的流态形式,提出了高速水流对泄洪建筑物的力学作用模型,水流作用对泄洪建筑物的载荷主要包括拖曳力、冲击力、脉动力和上浮力;采用内聚力模型表征聚脲基涂层与泄洪建筑物防护体界面的剥离破坏过程,建立了高速水流聚脲涂层的剥离破坏模型, 给出了模型的有限元形式方程、本构关系以及损伤起始原则、演化原则和接触碰撞模型. 通过聚脲涂层与混凝土基底的剥离破坏试验,分析了不同剥离倾角下界面剥离破坏的拉应力与倾角之间的变化规律,得到了聚脲涂层剥离破坏过程中应力-$\!$-位移变化关系. 根据剥离破坏试验计算了界面剥离破坏断裂模型参数,采用数值方法对模型进行了验证,试验结果与模型计算结果吻合良好,为泄洪建筑物的抗冲耐磨设计提供理论依据.     

机床结构结合面静态特性研究与内聚力模拟

针对机床结构中的平面结合面,通过实验分析了结合面在均布面压作用下的结合面法向变形与平均压力的关系;将结合面表面简化为半圆弧和正弦曲线两种微观形貌,利用有限元方法模拟结合面的接触变形力学行为,计算结果显示半圆弧形貌接触分析结果与实验结果较为接近.从结合面作用的物理本质出发,将结合面的相互作用等效为内聚力效应,利用内聚力模型分析了结合面的静态力学行为;内聚力模型计算结果与实验结果吻合较好.     

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.