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...     

基于单元质心对应法花岗岩热开裂及变形模拟研究

基于SEM所获取的岩石非均质数字图像,提出了一种既能考虑预制和原生缺陷,又能近似反映材料非均匀性的三维细观结构有限元模型的方法,即单元质心对应法.应用该方法进行了热力耦合下岩石的热开裂及变形破坏数值模拟.结果表明,北山花岗岩热开裂临界温度大约为82℃,与实验值68～88℃基本吻合.低温时北山花岗岩热开裂以沿颗粒热开裂为主;而高温后既有沿颗粒热开裂,又有穿颗粒热开裂.温度的升高导致花岗岩由脆性向延性转变,破坏将由低温下以载荷裂纹为主的裂纹模式转为高温下以热裂纹为主的裂纹模式.对比实验结果发现,数值模拟得到的拉伸强度在低温下高于实验测试值,而中高温度下基本与实验结果吻合.     

基于孔隙压力黏结单元的准脆性材料水力劈裂模拟

传统数值方法对水力劈裂的模拟一般采用预设裂缝扩展路径,且将水流作用等效为压力荷载,难以反映裂缝渗流-开裂耦合效应. 采用自编程Python脚本程序批量插入孔隙压力黏结单元,考虑裂缝渗流-开裂耦合作用模拟准脆性材料水力劈裂随机扩展全过程. 在对经典理论模型及试验结果模拟验证的基础上,开展含多裂缝均质模型的水力劈裂全过程分析,并进一步建立混凝土细观尺度水力劈裂模型,分析骨料、界面过渡区和基体渗透性对混凝土劈裂全过程的影响. 结果表明,本研究模型可以有效模拟准脆性材料水力劈裂失效过程,准脆性材料多缝开裂过程伴随微裂缝的分叉扩展而非光滑的裂缝扩展路径,骨料及界面过渡区影响劈裂扩展路径造成裂缝分叉出现,混凝土基体的渗透性对其抵抗水力劈裂不利并影响失效软化过程.     

基于热力耦合的钢筋混凝土锈胀开裂分析

为对锈蚀钢筋混凝土构件开裂问题进行分析,鉴于氯离子扩散控制方程与瞬态热传导控制方程的相似性,根据传统的Fick定律和已有的氯盐环境下钢筋非均匀锈胀模型以及热弹性力学理论,提出钢筋混凝土锈胀开裂模拟的热力耦合方法.对氯离子的扩散采用瞬态热传导方法进行分析模拟,提取各时间步钢筋单元表面的氯离子质量浓度即温度作为混凝土的温度荷载,引入钢筋锈胀的时变等效温度膨胀系数,采用升温膨胀对钢筋的锈胀以及由此引起的混凝土开裂过程进行有限元分析.数值算例表明,该方法可以有效地模拟和分析钢筋的非均匀锈胀和混凝土的裂缝扩展行为.     

脆性多裂纹扩展问题的近场动力学建模分析

针对脆性多裂纹扩展问题,基于近场动力学（PD）理论开展本构建模与数值方法研究.在常规微弹脆性本构模型基础上引入物质点对的转动,同时在本构力模型中增加能够反映物质点间长程力尺寸效应的核函数,提高计算精度、效率和结果的稳定性.构建能够以统一的模型和算法自然模拟脆性多裂纹扩展全过程的PD数值体系.通过定量分析确定最佳近场尺寸及核函数,通过双裂纹巴西圆盘和多裂纹脆性板的破坏过程模拟验证所提模型和算法,结果表明：改进型PD模型和数值方法可以定性、定量分析脆性多裂纹扩展问题.模拟单轴拉伸荷载作用下双裂纹脆性板的裂纹扩展过程,得到了初始裂纹分布情况对结构破坏形式和承载能力的影响规律.     

基于无单元伽辽金法的水工结构温度应力及温度裂纹扩展计算

水工混凝土结构的温度应力及裂纹扩展计算是一大难点。用节点来离散域的无单元伽辽金法由于不需要网格,特别适合模拟裂纹扩展问题。本文主要研究应用无单元法来计算温度应力以及温度裂纹扩展,提出了基于衍射法的折线不连续面模拟方法,并介绍了计算裂纹应力强度因子的围线积分法等,编制了温度裂纹及其扩展计算的VC++程序。通过典型气温骤降温度应力、单边直裂纹和斜裂纹实例对程序进行了验证,算例结果表明其具有较好的精度和可靠性。然后以底部约束混凝土块为例介绍了裂纹扩展的模拟过程及结果。最后对无单元法计算裂纹扩展的一些问题和难题进行了总结。     

热障涂层活塞热应力分析的格点型有限体积法

为研究热障涂层(thermal barrier coating,TBC)活塞热应力问题,将二维格点型有限体积法(cell vertex FVM,CVFVM)推广用于三维复合材料热力性能研究.利用交错网格技术,通过将物性参数和待解变量分别定义在单元中心和节点上,将物性参数的空间变化引入离散过程,从而避免数值不连续问题.采用CV-FVM数值模拟普通活塞热应力场,计算结果与ANSYS计算结果吻合良好.数值模拟TBC活塞热应力场,分析活塞TBC区域的热力性能,结果表明:活塞的最大温度位于燃烧室与活塞顶面的交界区域;应力最大值位于粘结层与陶瓷层的分界面附近;周向应力对活塞的整体应力水平起主要影响.数值结果表明CV-FVM能够作为TBC活塞热力性能研究的数值预测工具.     

考虑残余应力的焊接节点疲劳寿命有限元分析

为研究残余应力对焊接结构疲劳性能的影响,基于热力耦合计算方法建立了热弹塑性有限元模型,模拟T型节点焊接全过程及焊后热处理的温度场与应力场。基于扩展有限元法建立T型焊接节点断裂力学数值模型,将焊接应力场作为初始条件引入模型并分析其对疲劳裂纹动态扩展行为的影响。结果表明,未考虑残余应力时,焊接节点疲劳裂纹向焊缝两端均匀发展,裂纹扩展形式与试验结果不符;焊后热处理可以显著降低焊接产生的高拉伸应力和压缩应力,但对疲劳寿命的增幅较小,仅为6.1%;考虑残余应力后疲劳裂纹扩展路径与试验更为接近,焊接结构有限元模拟应考虑焊接残余应力对疲劳裂纹扩展路径的影响。     

裂纹动态扩展的边界元模拟

采用时域边界元法对动态载荷作用下材料中裂纹的快速扩展过程进行数值模拟.计算中,裂纹动态扩展方向根据最大周向应力准则确定,扩展瞬时速度基于二分法迭代确定.在每个扩展时间步,通过在运动裂尖添加新的裂纹单元来模拟裂纹扩展.算例与实验及数值结果进行对比,验证了该方法的准确性.     

疲劳裂纹的跨尺度分析

为了准确模拟正交异性钢桥面板疲劳裂纹扩展行为,提出基于约束应力区的三维表面半椭圆跨尺度裂纹模型.采用有限元法求解应力强度因子,将跨尺度应力强度因子作为疲劳裂纹从微观到宏观扩展的控制参量,使用统一模型描述正交异性钢桥面板疲劳破坏全过程.对正交异性钢桥面板的疲劳失效行为进行数值模拟,并与试验应力-寿命曲线进行对比分析.结果表明:疲劳裂纹扩展跨尺度模型能正确反映正交异性钢桥面板纵肋与桥面板焊接部位的疲劳破坏过程,并可模拟疲劳裂纹扩展从微观到宏观的跨尺度行为.由于微观效应对疲劳寿命有显著影响,当考虑到材料的微观效应时,该模型可解释疲劳寿命试验数据的离散现象.     

强化有限元剪力连接件的拔出数值模拟

剪力连接件的拔出过程伴随着混凝土的拉裂与扩展,为了准确模拟拔出过程中的非连续变形及剪力连接件抗拔承载力,本文采用基于强化有限元的无厚度CZM单元,以粘聚区域模型描述剪力连接件拔出过程裂纹的开裂与扩展。然后建立了剪力连接件拔出数值分析模型,对拔出过程连续－非连续变形进行模拟,得到了拔出过程的荷载位移曲线,剪力连接件的抗拔承载力以及拔出过程裂纹扩展形态。本文方法可以实现拔出过程混凝土裂纹起裂扩展的非连续变形的数值模拟。     

Effects of Aggregate Size and Specimen Scale on Asphalt Mixture Cracking Using a Micromechanical Simulation Approach

A micromechanical model based on discrete element method(DEM) was employed to investigate the effects of aggregate size and specimen scale on the cracking behavior of asphalt mixture. An algorithm for generating three-dimensional aggregates that can reflect the realistic geometry such as shape, size and fracture surface of aggregate particles was developed using a user-defined procedure coded with FISH language in particle flow code in three-dimensions(PFC3 D). The parallel-bond model(PBM), linear contact model(LCM), and slip model(SM), whose sets of micro parameters were obtained by comparing experimental tests with numerical simulation results, were used to characterize the internal contact behavior of asphalt mixture. Digital asphalt mixture specimens were used to simulate the effects of aggregate size and specimen scale on the cracking behavior by the indirect tensile(IDT) test. Some conclusions can be drawn as follows: Both cracks and IDT strength decrease with increasing aggregate size. However, the heterogeneity of contact-force distribution augments with increasing aggregate size, especially with 13.2-16 mm aggregate. The aggregate size of 4.75-9.5 mm dominates in forming skeleton structure for asphalt mixture. The IDT strength decreases and cracks augment with increasing sample scale. The crack growth can be well interpreted from the perspective of energy analysis. The conclusions show that the proposed micromechanical model is suitable for the simulation of crack propagation. This study provides an assistant tool to further study the cracking behavior of particle-reinforced composites material such as asphalt mixture and Portland cement concrete.     

玻璃幕墙传热系数计算方法及工程应用

在研究玻璃幕墙热传递特点的基础上,基于一维稳态热传导理论,以中空玻璃为例建立了玻璃系统传热系数计算模型;基于二维稳态热传导理论和有限单元法,采用三节点三角形单元对二维温度场进行了离散,推导了单元热传导矩阵和温度载荷列阵,并推导了热对流、热流密度、辐射以及各种边界条件耦合作用下对单元热传导矩阵和温度载荷列阵的修正公式,建立了玻璃幕墙框及附加线传热系数计算模型。利用Visual C++和ObjectARX对AutoCAD进行了二次开发,研发了玻璃幕墙传热系数计算软件TJCW,并通过算例与LBNL系列软件计算结果进行比较,验证了所编软件的正确性和有效性。最后对某工程实例中玻璃幕墙传热系数进行了节能验算。研究结果表明:建立的传热系数计算模型能够正确的计算玻璃幕墙传热系数,基于该计算模型开发出的软件能够应用于实际工程的节能分析和计算中。     

基于细观力学模型的混凝土温度裂缝研究

建立了混凝土的细观力学模型,考虑骨料、砂浆和界面的3相组成,利用Weibull概率分布对各相材料的力学参数进行随机赋值,体现出材料的细观特征和不均质特性.基于混凝土弹脆性损伤模型,对混凝土开裂进行数值模拟,以单轴压缩和3点弯曲梁实验对该方法进行了验证,同时提出了通过宏观性质演算细观参数的方法,最后,模拟了寒潮工况下早龄期混凝土在不同保温条件下的开裂.结果表明:该方法能较好地模拟混凝土材料中微裂纹的萌发和扩展,能较好地反应混凝土材料在温度荷载下开裂的全过程.     

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。     

A combined continuous-discontinuous approach for failure process of quasi-brittle materials

Rock,concrete and other geo-materials,due to the presence of microstructural inhomogeneity,their fracture processes and damage characteristics are associated with the distribution of micro-cracks contained in the materials.In this study,by introducing a cohesive zone model based on fracture mechanics into the framework of deformable discrete element method,a continuous-discontinuous coupling analysis approach for simulating the fracture of quasi-brittle materials is proposed.The cohesive interface elements are inserted into certain engineering or research region.It is assumed that damage and fracture occur only in the interface elements,while bulk material is modeled to be elastic.The Mohr-Coulomb criterion with tension cut-off is adopted as the damage initiation criterion,and a scalar damage variable representing damage in the material is used to describe the rate at which the material stiffness is degraded.Cracks are simulated explicitly by the failure of the interface elements.Numerical simulations are performed in order to validate the suggested method.Partial applications are also listed.The results show that this method provides a simple but effective tool for the simulation of crack initiation and propagation,and it can reflect the whole process of quasi-brittle materials from small deformation to large deformation and failure.     

Cracking Propagation of Hardening Concrete Based on the Extended Finite Element Method

Self-deformation cracking is the cracking caused by thermal deformation, autogenous volume deformation or shrinkage deformation. In this paper, an extended finite element calculation method was deduced for concrete crack propagation under a constant hydration and hardening condition during the construction period, and a corresponding programming code was developed. The experimental investigation shows that initial crack propagation caused by self-deformation loads can be analyzed by this program. This improved algorithm was a preliminary application of the XFEM to the problem of the concrete self-deformation cracking during the hydration and hardening period. However, room for improvement exists for this algorithm in terms of matching calculation programs with mass concrete temperature fields containing cooling pipes and the influence of creep or damage on crack propagation.