SiC/Al双连通复合装甲材料抗侵彻性能宏–微观跨尺度模拟

SiC/Al双连通复合装甲材料所具有的复杂三维微结构特征对其宏观抗侵彻性能具有重要影响。本文建立了从宏观靶试模型中SiC/Al靶板的典型微区提取动态边界条件,并作用于相应微观组织模型的跨尺度数值模拟方法,研究了SiC/Al靶板在抗侵彻过程中不同典型局部微区内的动态微结构损伤及失效过程。研究表明:在弹着点正下方位置,多个裂纹源萌生于两相界面处靠近陶瓷相一侧,随后沿与弹道平行的方向扩展并形成轴向主裂纹;在与弹体轴线呈45°位置,裂纹除了在靠近界面处的陶瓷相一侧萌生外,在陶瓷相内部也出现了与弹道方向垂直的多条水平裂纹,界面裂纹与水平裂纹进一步扩展并桥连成多个锥形主裂纹。相关模拟方法为将来该类材料的微结构优化提供了一种新的技术途径。     

疲劳裂纹扩展行为的跨尺度分析方法

该文以跨尺度应变能密度因子作为裂纹扩展的控制参量, 建立了跨尺度疲劳裂纹扩展模型。疲劳破坏全过程可用该模型进行统一描述, 而不必划分成疲劳裂纹形成与扩展两个不同阶段, 采用不同的理论分别进行分析。以LY12 铝合金板为例, 采用上述模型, 精确拟合出不同循环特征下的S-N试验曲线。当考虑材料微结构的影响时, 疲劳试验数据的发散性也可拟合出来。研究表明:材料初始缺陷及微结构在疲劳过程中的演化特性, 对于构件的疲劳寿命有显著影响, 是疲劳试验数据发散的主要原因。     

宏微观双尺度运动裂纹模型面内拉伸下的解析解*

研究裂纹动态扩展中宏微观因素相互作用机制与微观裂尖区的钝化效应。平面拉伸状态下,宏观主裂纹以恒定速度运动。通过一个介观约束应力过渡区,将宏观主裂纹与微观裂尖区相连接,由此建立了一个宏微观双尺度运动裂纹模型。应用弹性动力学与复变函数理论,分别在宏观与微观尺度下对该模型进行解析求解,获得了解析解。通过裂纹张开位移从宏观到微观的连续性条件与宏微观应力场协调条件,将两个不同尺度下的解相耦合,获得了计算宏微观损伤区特征长度的显式表达式。研究表明,运动裂纹的宏观应力场仍具有通常的r&;#61485;1/2的奇异性。由于微观裂尖的钝化,微观应力场奇异性的阶次有所降低,与宏观应力场相比具有弱奇异性。双尺度运动裂纹模型中,可允许裂纹运动速度达到剪切波速,解除了经典运动裂纹理论中裂纹速度不能超过Rayleigh波速的限制。数值结果表明,介观损伤过渡区与裂尖微观损伤区尺寸,及裂纹张开位移等,与裂纹运动速度、材料性质、约束应力比、裂尖钝化角度等因素有关。     

考虑孔隙及微裂纹影响的混凝土宏观力学特性研究

混凝土是一种典型的多孔介质材料,孔隙分布错综复杂,孔径尺寸跨越微观尺度和宏观尺度,对混凝土弹性模量及强度等力学参数产生巨大影响.认为混凝土是由骨料、孔隙及砂浆基质组成的三相复合材料,采用Monte Carlo 法将孔隙、微裂纹及微缺陷与骨料颗粒随机投放在砂浆基质中.根据三相球模型及中空圆柱形杆件模型得到含孔材料的有效力学性质,并推导得到含孔材料的等效本构模型.建立含孔隙混凝土试件的细观单元等效化力学模型,对二级配含孔隙混凝土试件在单轴拉伸及压缩条件下的反应进行了非线性分析.结果表明:孔隙、微裂纹的存在对混凝土宏观弹性模量、强度及残余强度等力学性质都有很大影响,在对混凝土宏观力学特性分析及研究混凝土损伤断裂时不应忽略其影响.     

单晶γ-TiAl合金微裂纹扩展行为的分子动力学模拟

为了从微观原子结构探索γ-Ti Al合金裂纹扩展的机理,研究了恒定加载速度下温度对γ-Ti Al合金中裂纹扩展的影响。采用分子动力学方法对单晶γ-Ti Al合金中预置微裂纹的扩展过程进行模拟,研究表明,室温下裂纹呈脆性解理扩展,中、高温时,裂纹在扩展过程中发射位错,裂尖钝化并伴有偏转;随温度的升高,微裂纹由脆性解理扩展向韧性扩展转化,裂纹扩展速率减慢,材料塑性增加;裂尖发射的位错堆积在边界附近,使得位错堆积处萌生空洞缺陷,随着加载的继续,空洞最终长大形成微裂纹,出现边界开裂的现象。     

尺度关联的微结构构型与排布的材料/结构动力学设计

考虑微观尺度和宏观尺度的关联, 将微结构胞元设计和多尺度均匀化设计结合, 建立了由相同尺寸和内部构型的微结构胞元组成的复合材料结构的材料/结构一体化动力学优化设计方法, 给出了相应的算例。方法中引入了微观和宏观两个尺度上的独立密度变量, 采用材料属性的合理近似模型对密度进行惩罚, 利用有限元超单元技术建立材料与结构的联系。基于算例获得了超单元尺寸与微观、宏观材料用量对结构拓扑构型的影响规律。将算例结果与已有方法的结果比较, 表明本文方法具有合理有效性, 可作为对轻质结构进行动力学设计的一种新方法。      

基于微缺陷成核序列的岩石微裂纹生长和损伤演化模型

岩石在承载之初,由于微缺陷无序成核和有限生长,在材料内部形成大量分布性微裂纹。在该文中,这种演化机制被归结为:微缺陷随机、孤立成核生成最小微裂纹和微缺陷无重叠聚集成核、排列生长形成大尺度微裂纹,裂纹尺度生长是微缺陷成核数的函数。利用微裂纹尺度-频数分布分形以及微裂纹粗糙表面分形,建立基于微缺陷累计成核数序列的裂纹尺度生长模型和损伤演化模型。通过对二维岩石试件破坏过程的微裂纹尺度统计和损伤测试表明,模型的预测结果与观测值符合较好。由于微缺陷成核与声发射源机制具有相似性以及微缺陷成核数序列与声发射数序列具有相似性,所以该模型可用于通过声发射参数序列跟踪微裂纹生长和损伤演化。裂纹尺度生长对于完整认识材料宏观力学性质演化和预测材料灾变具有重要意义。     

复合固体推进剂黏弹性微裂纹损伤本构模型

为建立复合固体推进剂的损伤本构模型,在介观尺度上视其为微裂纹损伤,选取微裂纹密度为损伤内变量。在Abdel-Tawab本构方程的基础上,基于微裂纹均匀化理论,推导了损伤映射张量的一般形式。该张量通常具有非完全对称性,其物理意义是将真实应力空间中各向异性材料的多轴加载映射为等效应力空间中各向同性材料的更为复杂的多轴加载。其次,基于黏弹性动态裂纹扩展模型和裂纹扩展阻力曲线的概念,建立了损伤内变量的演化方程。该演化方程仅含4个物理意义明确的细观参数,并且参数的取值规律与宏观应力曲线的变化规律相一致。数值结果表明,建立的模型能够有效反映材料损伤的应变率、温度依赖性及各向异性特征,并且具有一定的蠕变损伤预测能力。     

TiCp/W复合材料热冲击损伤行为的数值模拟

为了揭示TiC颗粒增强的钨基复合材料（TiCp/W)高温下的失效规律,采用有限元方法从宏观和微观两个方面对该复合材料在氧乙炔冲击中的损伤行为进行了数值模拟,模拟结果表明,复合材料试样宏观损伤行为是裂纹在试样周边萌生,沿径向向心部扩展,微结构损伤行为是微裂纹在TiCp/W界面附近产生,而生在基体中扩展,TiC颗粒含量越高,复合材料超易损伤。TiC颗粒没有阻止裂纹扩展的作用,在基体中增加TiC反而会降低材料的抗热冲击性能。复合材料非稳态温度场的模拟结果,材料的宏观与微观损伤行为的模拟结果都与实验结果吻合。     

浅析宏观与纳观材料拉伸强度差异

应用分子动力学方法,采用EAM势函数模拟纳米单晶铜的拉伸过程,在拉伸的数值模拟过程中,采用具有完整结构和各种缺陷结构模型,观察缺陷对模型强度的影响,给出各个模型拉伸时应力应变曲线及极限应力,分析纳米尺度材料与宏观材料强度极限存在巨大差距的原