冰三点弯曲试验的近场动力学数值模拟

为了研究近场动力学对冰受力变形至破坏过程数值模拟的可行性,本文依据近场动力学理论并引入自适应动态松弛法,给出了近场动力学求解动态问题和准静态问题的数值算法,建立了冰材料的近场动力学弹脆性本构模型,对三点弯曲试验进行了数值模拟。研究结果表明:近场动力学方法在破坏问题模拟上具有优势,并且对准静态问题的求解具有非常好的准确性;将三点弯曲试验过程的数值模拟结果与试验结果进行对比发现,变形过程相对误差小于5%,裂纹产生位置、试样折断结果与试验结果一致,说明近场动力学适用于冰材料受力变形至破坏过程的计算分析。     

基于OpenMP的近场动力学模拟并行实现

针对近场动力学模拟计算量大、计算效率低等问题,研究基于OpenMP的近场动力学(peridynamic,PD)并行化方法,即在多核处理器计算机上利用OpenMP技术对PD程序中耗时占比大的构建邻接节点域、计算物质点表面修正系数、时间积分3个模块进行并行化处理,实现PD模拟的多线程并行化。通过对二维各向同性板的2种键型PD模型(准静态模拟PD模型和动态裂纹扩展模拟PD模型)测试,得出不同线程数下并行计算时间。结果表明,采用OpenMP并行技术可有效提高近场动力学模拟运算中的计算效率,相比于串行计算,并行计算获得了2.0～4.0倍的加速比。     

复材非线性及渐进损伤的态型近场动力学模拟

为了实现复合材料材料非线性行为在态型近场动力学的模拟,引入单参量非线性本构模型来确定态型近场动力学中力状态与变形状态之间的非线性关系.为了实现复合材料渐进损伤行为的态型近场动力学模拟,在力状态表达式中引入一个标量函数,以实现利用强度准则判断物质点之间作用力是否失效.采用动力松弛法作为数值求解方法.结果显示,模型计算得到的单向复合材料板(AS4/PEEK)的非线性应力-应变曲线与试验数据吻合良好;对中心含孔复合材料板的渐进损伤模拟则表明,该模型模拟的破坏形式与已有研究的模拟结果及实验观察结果一致.探索和实现了复合材料非线性本构在态型近场动力学中的引入以及复合材料渐进损伤在态型近场动力学中的模拟.     

冰弯曲破坏的弹塑性近场动力学模型

为提高粒子方法模拟冰力学性能的准确性,尤其是模拟冰在破坏过程表现出的塑性变形特性,建立了基于无网格粒子法近场动力学理论的冰弯曲破坏弹塑性本构模型。以积分形式表示的近场动力学是一种新兴的非局部理论,它可以应用于无外设准则的破坏过程预报研究,即使在不连续的物体中,仍对变形体有效。首先,依据Von-Mise屈服面准则,建立了基于塑性应变增量与塑性应力增量变化的冰弹塑性本构模型。然后,分析了该模型的边界条件施加方法和冰的失效判断准则。接着,介绍了本构模型在FORTRAN环境下的数值计算方法。最后,利用常规状态型近场动力学方法模拟冰的四点弯曲破坏过程,预报了时间历程的压力曲线。通过冰的四点弯曲过程数值模拟结果与实验结果的比对分析表明,数值模型预报的冰破坏过程、裂纹扩展模式以及压力曲线和试验结果有较高的一致性。由此本文建立的数值模型能够应用于冰的弹塑性弯曲破坏过程预报。该本构模型为模拟船舶在水平冰中航行时的实际破冰过程提高了基本数值策略。     

疲劳多裂纹扩展的常规态型近场动力学分析

为改进疲劳多裂纹扩展问题的分析,建立了常规态型近场动力学的疲劳多裂纹扩展模拟方法.在常规态型近场动力学的理论框架基础上,采用近场动力学疲劳裂纹萌生和扩展模型,建立了一个可模拟疲劳裂纹萌生与扩展的平面应力近场动力学模型.针对近场动力学疲劳模型计算量庞大的问题,又引入"临界断裂数"来优化模型的计算流程,提升模型的计算速度,以单边裂纹板为研究对象,通过选取不同"临界断裂数"的值寻求计算效率与裂纹路径精准度之间的平衡.从计算结果的对比中可以发现,当采用恰当的"临界断裂数"时,计算速度得到了较大的提升,同时裂纹仍能保证精准的形状.然后,该模型被用于非共线多裂纹板的疲劳破坏模拟仿真之中,当采用不同的"临界断裂数"时,计算运行得到的疲劳裂纹扩展路径以及相应的a-N曲线均能与实验得到的结果取得良好的吻合.研究结果表明,近场动力学疲劳分析方法不需引入断裂准则和预知裂纹路径,裂纹可以任意扩展.     

钢纤维混凝土细观二维建模与数值研究

提出了二维随机凹凸型碎石骨料生成方法,应用ANSYS/LS-DYNA模拟了数值骨料和钢纤维随机碰撞,得到钢纤维混凝土细观二维几何模型和有限元模型。基于双折线弹性损伤演化本构模型,模拟了素混凝土和钢纤维混凝土数值试件在单轴拉伸荷载下的损伤过程。研究结果表明:素混凝土数值试件的破坏模式与真实素混凝土破坏模式比较接近,掺入钢纤维会改变裂纹扩展的路径;钢纤维混凝土二维模型中,裂纹萌生位置和扩展路径影响钢纤维对混凝土的增强增韧效果。     

Peridynamic含初始缺陷中心平行双裂纹扩展分析

为了更好地模拟裂纹扩展行为,一种基于非局部理论——近场动力学被提出,PD采用积分的方法避免了传统方法存在的问题,并采用相邻质点间距离和临界延伸率sc的变化来描述物体受力变化规律,更好地模拟了裂纹扩展及多裂纹融合。本文基于PD模拟了没有缺陷不同间距的中心平行双裂纹扩展路径,然后采用降低质点间键的强度,模拟了含随机分布初始缺陷(气孔,夹杂,未熔合)的中心平行双裂纹扩展路径。得到了初始缺陷对不同纵向间距中心平行双裂纹扩展融合及背离路径的影响规律。     

模拟准脆性材料热开裂的热力耦合格构离散单元法

针对准脆性材料的热传导与热开裂问题,基于格构离散单元法（LDEM）提出新的热力耦合数值模型. 通过格构离散体系与连续体传热过程的等效换算,结合格构单元的线膨胀公式,在LDEM中实现温度传导与裂纹扩展的数值模拟. 以平板的热传导与热弹性应力问题、由温度梯度与热失配引起的开裂问题为例,验证所提模型. 将所提模型应用于细观混凝土温度?应力试验的数值模拟中. 结果表明,LDEM热力耦合模型能够有效模拟准脆性材料的热传导过程、在温度影响下的裂纹萌生与扩展,是研究准脆性材料热开裂过程与机理的有力工具.     

近场动力学与有限单元法的混合模型与隐式求解格式

利用近场动力学方法(PD)在模拟不连续变形问题的独特优势和有限单元法(FEM)的计算效率,提出近场动力学与有限单元法混合建模的方法,并用于求解断裂力学问题.裂纹出现的区域采用改进的近场动力学微观弹脆性(PMB)模型进行离散,其他区域采用有限元离散,通过杆单元连接不同的子区域.在隐式求解体系下实现了两种方法的混合建模,该模型在求解静力学问题时无需引入阻尼项,有效提高了计算效率和计算精度.通过模拟计算简支梁的弹性变形和三点弯曲梁I型裂纹的扩展过程,与理论解吻合良好,验证了提出的混合模型和求解方法的准确性和有效性.     

基于格构离散单元法的准脆性材料断裂研究

为了更好地理解准脆性材料在工程应用中的失效机理,需要不断改进测试方法和分析工具.使用具有极高计算效率的格构离散单元法(lattice discrete element method,LDEM)对准脆性材料进行建模,该方法采用双线性本构模型数值分析,利用杆单元的失效去除来模拟裂纹的萌生与扩展.经验证可见,LDEM受网格划...     

混凝土拉压强度尺寸效应的细观非均质机理

为了从材料细观非均质角度揭示混凝土强度尺寸效应机理,建立了混凝土细观单元等效非均质力学模型,开展了立方体抗拉、抗压强度尺寸效应细观数值模拟研究。研究结果表明：混凝土强度尺寸效应根源于材料细观非均质性,随着模型尺寸的增加,混凝土材料细观单元弹性模量变异系数增大,材料细观非均质性增强,大尺寸模型内部存在更多的低强度单元或缺陷,导致混凝土立方体抗拉、抗压强度降低,极限应变减小,脆性增大;混凝土损伤破坏由少量集中区域,发散扩展形成多条非贯通的裂纹带;数值模拟结果与尺寸效应实验数据相吻合。     

混凝土破坏的断裂与损伤耦合分析

目的 应用断裂力学与损伤力学耦合分析方法分析混凝土破坏的问题．方法 以三点弯曲混凝土梁为例，应用断裂力学与损伤力学耦合分析方法从理论上确定初始损伤区与断裂区，然后用损伤力学的方法、数值模拟混凝土梁的破坏过程．结果 确定了三点弯曲混凝土梁的损伤区和断裂区尺寸，应用西多霍夫损伤模型和断裂力学的耦合分析方法数值模拟了混凝土三点弯曲梁的破坏过程，发现裂纹是带着损伤区向前扩展的．结论 笔者提出的方法是合理的便于工程应用的模拟混凝土裂纹扩展过程的方法。     

深部高地压条件下岩石动态断裂特性的数值模拟

地下洞室爆破开挖在动应力和地应力的共同作用下,将导致更为复杂的岩体破坏形式.本文基于二维动力损伤本构模型对不同静力条件下岩体动态破坏机制进行研究,探讨了不同围压和垂直应力系数K0作用下动应力的加载速率和峰值对岩体动态变形破坏的影响.研究结果表明:数值模拟获得了爆破荷载作用下径向裂纹的萌生、扩展以及裂纹分叉、贯通的全过程...     

率敏感材料Ⅰ型准静态扩展裂纹尖端的弹黏塑性分析

采用率敏感型本构关系,对不可压缩材料平面应变Ⅰ型准静态扩展裂纹的尖端场进行了渐近分析.引入Airy应力函数,求出了裂纹尖端应力和应变场的控制方程.并对其作渐近分析,推导出了该模型下的本构方程.选取适当的特征参数,给出了边界条件,对控制方程通过双参数打靶进行了数值计算,求得了裂纹尖端的应力应变场.计算结果表明,裂纹尖端的应力和应变均具有r-δ的奇异性,整个裂纹尖端场是由黏塑性区控制,不存在弹性卸载区.     

大理岩三点弯曲梁弹塑性损伤破坏研究

在应变空间内,推导出弹塑性损伤增量本构方程,通过自编程序实现该本构方程,同时将此程序实现了并行算法;建立了三点弯曲梁二维及三维细观尺度数值试样,分别进行相应地弹塑性损伤破坏数值模拟,作了相应的对比分析,在数值模拟中,提出破坏单元网格消去法,模拟裂纹扩展。研究发现:数值试验同物理试验较吻合,且与理论分析是一致的;由于三维试样细观单元的非线性比二维在空间上更为离散,由三维细观单元弹塑性损伤非线性反映宏观试样的非线性,更能深入地研究细观破坏机理;提出的破坏单元网格消去法为有限元清晰模拟裂纹开辟了新的途径;并行算法程序的实现为应用于大型三维水利水电工程奠定了基础。     

静动荷载作用下应变型岩爆脆性破坏区预测研究

针对地下工程岩爆不良地质现象的勘察评价和防治,鉴于地质环境条件的复杂性,本文提出了静动荷载作用下应变型岩爆脆性破坏区理论分析和数值模拟预测方法.采用工程岩体岩爆判据和考虑最不利荷载组合情况,得到静动荷载共同作用下应变型岩爆破坏区深度理论公式,可以作为预测岩爆脆性破坏区深度的实用公式,并采用DISL脆塑性本构模型较好地模拟了岩爆脆性破坏区范围.根据影响因素理论分析,静动荷载作用下应变型岩爆破坏区深度随着水平地应力比值和裂纹起裂应力的增大而减小,随着岩体剪切波波速和地震动峰值振动速度增大而增大.     

基于扩展有限元的多裂纹扩展分析

研究基于扩展有限元的多裂纹扩展分析方法以及ABAQUS环境下的程序实现。在位移函数中增加扩充项以描述裂纹周围的不连续位移场。初始裂纹以点集或方程的形式给出,并使用水平集函数将多裂纹信息离散到单元节点上,水平集函数还用来追踪裂纹扩展路径。使用局部水平集更新方法减小了计算规模,改进了裂尖单元的判断准则,借助商业软件Tecplot软件实现了裂纹扩展的动态显示功能。使用交互积分法计算混合模式下的应力强度因子,用最大周向拉应力准则判断裂纹扩展方向。探讨了网格密度和积分域尺寸对方法的影响,数值算例表明扩展有限元方法能够模拟任意形状的裂纹,并且能够反映多裂纹扩展的规律。     

Modelling and Simulation on the Effect of Hot Forming Damage on Three-Point Bending Performance of Beam Components

本文的目的是分析热冲压过程中的成形损伤对热冲压梁的承载能力和破坏模式的影响。文中提出了一种损伤耦合预成型本构模型,并将热冲压过程中的损伤引入服役响应中。将本构模型应用于热冲压梁的三点弯曲模拟中,探讨了成形损伤对帽型梁承载能力和裂纹扩展的影响。结果表明,成形损伤使热冲压梁的最大承载能力降低了7.5%。这也导致裂纹更早地发生并促进裂纹沿着冲头的径向传播。     

裂纹扩展过程红外热像实验及数值模拟研究

采用花岗岩材料通过红外热像和数值实验的方法,对两预制裂纹导致的岩石中新裂纹孕育、繁衍、萌生、扩展和贯通机制,以及由此引起的试样宏观强度变化等进行分析.通过红外热像遥感观测方法以及数值模拟对7块预制双裂纹的试样进行了实验研究.结果表明,裂纹扩展过程中,脆性破裂的声发射前兆不明显,在主破裂发生之前有小规模声发射现象,但释放的能量不多,只有在主破裂发生时产生大量声发射,特别是岩爆类型的破坏.试样破裂过程中有红外异常现象,在破裂处会出现明显的高温区和高温条带,并指出斑状花岗岩在破裂前主要表现为高温前兆.     

Ⅰ型扩展裂纹尖端的弹黏塑性场

为了研究粘性效应作用下的扩展裂纹尖端场，假设扩展裂纹尖端的人工粘性系数与塑性应变率的幂次成反比，推导出理想弹塑性材料的一种率敏感型本构关系．引入Airy应力函数，求出了裂纹尖端应力和应变场的控制方程．通过渐近分析。推导出了该模型下的本构方程．选取适当的特征参数，给出了边界条件，对控制方程通过双参数打靶，进行了数值计算，求得了裂纹尖端的应力应变场．由于在力学模型中考虑了材料的粘性效应，所得裂纹尖端场是局部自治的，结果中不含必须由远场条件确定的待定参数或系数．分析与计算结果表明粘性效应是裂纹尖端场的一个重要因素．