脆性岩石蠕变裂纹成核宏细观力学机理研究

脆性岩石内部细观裂纹扩展、贯通及成核影响下的脆性蠕变行为, 对深部地下工程围岩微震及岩爆事件评价有着重要意义. 然而, 目前能够解释裂纹成核损伤突变影响下, 脆性岩石完整蠕变宏细观力学机理模型的研究很少. 本文基于脆性岩石亚临界裂纹扩展模型、裂纹-应变-声发射事件相关的损伤模型及裂纹成核损伤时间演化路径函数, 提出了一种脆性岩石裂纹成核损伤突变影响下的蠕变宏细观力学模型. 裂纹成核损伤时间演化路径函数通过岩石内部裂纹成核损伤突变大小$\Delta D_{CN}$及相邻裂纹成核损伤时间差$\Delta t$进行定义, 该函数可以结合岩石声发射监测试验数据定义的岩石损伤数据确定. 通过与试验结果对比分析验证模型的合理性. 并讨论了裂纹成核损伤大小、相邻裂纹成核损伤时间间隔、及裂纹成核数量对脆性岩蠕变裂纹长度、裂纹速率、轴向应变及应变率的影响. 该结果对于更加合理、经济、高效的深部地下工程施工及设计提供了一定的理论支持.      

考虑晶体滑移面分解正应力的细观损伤模型

材料内部的解理、滑移面剥离等细观损伤是引起宏观失效的根源, 从细观尺度研究损伤的发生和发展有助于深入认识材料的变形和失效过程. 本文基于晶体塑性理论, 从滑移系的受力和变形出发研究材料的细观损伤, 建立了考虑滑移面分解正应力的细观损伤模型, 为晶体材料解理断裂的分析提供了新方法. 首先, 在晶体弹塑性变形构型的基础上引入损伤变形梯度张量的概念, 从变形运动学着手建立了考虑损伤能量耗散的本构方程, 并推导了塑性流动方程与损伤演化方程; 然后, 建立了相应的数值计算方法, 给出了应力与状态变量的更新算法, 推导了Jacobian矩阵的表达式; 接着, 以$[100]$取向的单晶铜材料为例, 通过有限元计算与试验结果的对比, 并采用粒子群优化算法标定了11个材料细观参数; 最后, 将所提细观损伤模型应用于RVE单轴拉伸过程的模拟, 得到了考虑损伤影响的应力应变曲线, 并分析了材料的塑性流动与损伤演化过程. 结果表明, 本文所提模型能够计算材料在受载过程中的损伤累积效应, 合理反映晶体材料的细观损伤机理.      

半结晶聚合物损伤演化的实验表征与数值模拟

损伤本构模型对研究材料的断裂失效行为有重要意义, 但聚合物材料损伤演化的定量表征实验研究相对匮乏. 通过4种高密度聚乙烯(high density polythylene, HDPE)缺口圆棒试样的单轴拉伸实验获得了各类试样的载荷-位移曲线和真应力-应变曲线, 采用实验和有限元模拟相结合的方法确定了HDPE材料不同应力状态下的本构关系, 并建立了缺口半径与应力三轴度之间的关系;采用两阶段实验法定量描述了4种HDPE试样单轴拉伸过程中的弹性模量变化, 并建立了基于弹性模量衰减的损伤演化方程, 结合中断实验和扫描电子显微镜分析了应力状态对HDPE材料微观结构演化的影响. 结果表明缺口半径越小, 应力三轴度越大, 损伤起始越早、演化越快; 微观表现为: 高应力三轴度促进孔洞的萌生和发展, 但抑制纤维状结构的产生;基于实验和有限元模拟获得的断裂应变、应力三轴度、损伤演化方程等信息提出了一种适用于聚合物的损伤模型参数确定方法, 最后将本文获得的本构关系和损伤模型用于HDPE平板的冲压成形模拟, 模拟结果与实验结果吻合良好.      

考虑膨胀力的非饱和介质热-水-应力耦合二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和弹塑性矩阵入手,使用Galerk in方法,将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散,开发出了一个可考虑膨胀力的用于分析非饱和介质中热-水-应力耦合弹塑性问题的二维有限元程序.通过对一个假定的核废料地下处置库的热-水-应力耦合问题的数值计算,比较了无、有膨胀力时的情况,在定性上验证了该程序的正确性.     

复合材料层合板冲击损伤及剩余强度分析方法

应用三维逐渐累积损伤理论和分析技术对层合板的冲击及冲击后含损伤的层合板在拉伸载荷下损伤扩展的全过程进行分析.分析中取消了以往研究者对冲击后层合板损伤状态所做的人为假设,将冲击后层合板的实际损伤状态直接用于剩余拉伸强度研究.通过与已有文献结果比较,验证了方法的正确性.     

变温场中具损伤粘弹性矩形板的非线性动力响应分析

基于热粘弹性理论、Von Karman板理论和连续损伤力学,导出了二维状态下各向同性材料的变温粘弹性本构方程,建立了含损伤效应的各向同性粘弹性矩形板在变温场中的非线性运动控制方程,且应用有限差分法对问题进行求解.算例中,讨论了损伤演化及温度场等因素对粘弹性矩形板非线性动力学行为的影响,得出一些有意义的结论.     

薄板试样斜断口形成机制及损伤断裂过程分析

为分析不同材料和尺寸的薄板试样在室温下拉伸破坏后均形成与横截面夹角在20°~25°之间斜断口的原因,首先用统计方法对试样内随机分布微缺陷进行讨论,提出一种在宏观尺度上材料内微缺陷分布局部非均匀简化模型的假设.应用含孔材料损伤本构模型对含有不同方向微缺陷分布局部非均匀薄带区域的16MnNb薄板试样变形至破坏全过程进行数值模拟.结果表明,斜断口形成主要是由于试样内在与横截面夹角小于45°的带形区域内微缺陷分布局部非均匀造成,且与该带形区域在试样中位置无关;由于考虑微缺陷分布局部非均匀,得到试样的斜断口形成过程与试验现象完全一致;同时结合试验断口形貌,对变形过程中颈缩截面内损伤演化和破坏过程进行研究,进一步解释薄板试样的损伤破坏机制.     

孔洞裂纹问题的一种数值方法

研究孔洞与裂纹的相互作用问题,通过把适于单一裂纹的Bueckner原理扩充到含有多孔洞多裂纹的一般体系,将原问题分解为承受远处载荷不含裂纹不含孔洞的均匀问题,和在远处不承受载荷但在裂纹面上和孔洞表面上承受面力的多孔洞多裂纹问题.于是,以应力强度因子作为参量的问题可以通过考虑后者来解决,而利用笔者提出的杂交位移不连续法,这种多孔洞多裂纹问题是容易数值求解的.算例说明该数值方法对分析平面弹性介质中孔洞与裂纹的相互作用既简单又有效.