岩石材料动载下泛形裂纹扩展数值模拟

岩石材料性能的非均匀性导致断裂面呈现不规则的泛形特性,基于此应用ABAQUS软件建立细观有限元模型,由Weibull分布表征岩石材料性能的非均匀性,对动态拉伸载荷下岩石材料泛形裂纹扩展进行研究。计盒维数计算得到的泛形断裂面的复杂度与实验结果吻合。不同应变率下的泛形裂纹扩展路径及复杂度的计算结果表明,断裂面的复杂度随应变率的增加而减小。进一步分析不同应变率下裂纹扩展的泛形断裂能,发现裂纹扩展的能量释放率随应变率增大而增大。低加载率下,裂纹向断裂韧性较小的单元扩展,但随着加载率的提高,裂纹瞬间穿过断裂韧性相对较高的单元,沿自相似方向扩展。上述结果揭示了应变率对泛形裂纹扩展路径的影响与材料性能的细观非均匀性有关,加深了对岩石材料泛形断裂机制的理解。     

加载速率对混凝土拉伸破坏行为影响观数值分析

探讨了加载速率及细观结构非均质性对混凝土破坏模式及宏观力学性能的影响。考虑到混凝土细观结构非均质性的影响,将混凝土看作由骨料和砂浆基质组成的两相复合材料。考虑材料的应变率效应,采用塑性损伤模型来描述砂浆基质的动态力学行为;由于骨料具有较高强度,假定不会产生断裂,设定为弹性体。对单边缺口的混凝土试件及L形试件在不同加载速率下的动态拉伸破坏模式进行了细观数值研究。数值结果表明:1) 混凝土动态破坏模式及裂纹扩展方向具有明显的加载速率相关性;2) 随着加载速率的提高,混凝土破坏模式从I-型模式到混合型模式转变;3) 混凝土细观结构越复杂,组分间相互作用越复杂,裂纹扩展路径越复杂,裂纹分支现象越为明显;4) 随着加载速率的提高,混凝土破坏时产生更多的裂纹扩展路径(分支裂纹),且损伤区域宽度增大,导致混凝土在高应变率作用下消耗更多的能量,可认为是混凝土材料动态强度提高的主要原因。     

加载速率对混凝土拉伸破坏行为影响的细观数值分析

探讨了加载速率及细观结构非均质性对混凝土破坏模式及宏观力学性能的影响。考虑到混凝土细观结构非均质性的影响,将混凝土看作由骨料和砂浆基质组成的两相复合材料。考虑材料的应变率效应,采用塑性损伤模型来描述砂浆基质的动态力学行为;由于骨料具有较高强度,假定不会产生断裂,设定为弹性体。对单边缺口的混凝土试件及L形试件在不同加载速率下的动态拉伸破坏模式进行了细观数值研究。数值结果表明:1)混凝土动态破坏模式及裂纹扩展方向具有明显的加载速率相关性;2)随着加载速率的提高,混凝土破坏模式从I-型模式到混合型模式转变;3)混凝土细观结构越复杂,组分间相互作用越复杂,裂纹扩展路径越复杂,裂纹分支现象越为明显;4)随着加载速率的提高,混凝土破坏时产生更多的裂纹扩展路径(分支裂纹),且损伤区域宽度增大,导致混凝土在高应变率作用下消耗更多的能量,可认为是混凝土材料动态强度提高的主要原因。     

纤维复合材料的损伤韧度设计

文中以裂纹连续扩展的断裂力学方法, 研究单向纤维复合材料的细观损伤演化与韧度计算。用基于有限元的数值方法模拟复合材料的多模式破坏过程, 并计算复合材料在裂纹不同扩展路径下的有效韧度。研究表明界面的两个重要断裂参数(界面断裂能和混合度) 是控制复合材料破坏模式与增韧机理的关键参数。提出了复合材料韧度设计的基本原理。      

基于刚体─弹簧模型的混凝土微裂纹行为模拟

本文在细观上将混凝土看成是由粗骨料颗粒与硬化水泥浆体组成的两相非均质复合材料,以随机颗粒模型代表混凝土的细观结构,研究了一种对随机颗粒模型结构进行全自动网格剖分的方法,采用适宜处理微裂纹行为的刚体一弹簧模型（RigidBodySpringModel）,探讨了预先存在的微裂纹对混凝土性能的影响,建立起混凝土的细观结构与宏观性能之间的关系,同时也对混凝土在拉伸荷载下的裂纹传播行为进行了研究。     

复合材料热传导性能的变分渐近均匀化细观力学模型

为准确预测非均质复合材料的有效热导率和局部温度场分布,采用单胞变分渐近均匀化方法构建了一种新的细观力学模型。首先从非均质连续体热传导变分问题入手,使用变分渐近法将其细观力学模型转换为约束条件下泛函的最小化——取驻值问题;使用有限元法(FEM)推导了离散形式能量泛函的最小化求解过程;根据宏观性能(如全局温度及相应的梯度和波动函数)重构单胞的局部温度场和热通量。采用多个二元复合材料算例验证了所构建理论和程序的有效性和准确性。     

热冲击作用下的陶瓷材料破裂过程数值分析

运用热传导和热2力耦合的相关理论 , 借助统计分布来考虑陶瓷中存在的微孔洞和微裂隙 ; 建立了一种可以模拟陶瓷遭受热冲击作用下的裂纹萌生、 扩展过程的数值模拟方法 , 并通过材料破坏过程分析系统 (RF2PA , Realistic Failure Process Analysis) 加以实施。该数值方法基于细观非均匀性假设 , 突破了以往连续介质力学视陶瓷为均匀介质的假设 , 并从细观损伤角度考虑陶瓷热冲击破坏演化的过程。运用该方法对三面绝热、 一面受热冲击的平板状陶瓷材料的破裂过程进行了数值试验。结果表明 : 起始裂纹发端于受热冲击表面 , 且在初始的裂纹萌生阶段 , 在受热冲击表面产生一系列无序的裂纹 ; 但随着时间的延续 , 裂纹逐渐演变成多条近乎平行的、沿受冲击表面内法向方向扩展的主裂纹 , 其中一些裂纹的发展受到了屏蔽 , 这一结果与试验结果吻合较好。本数值方法为相关研究提供了新的思路。      

混凝土试样在静态载荷作用下断裂过程的数值模拟研究

提出了一个模拟混凝土断裂过程的细观力学模型,并应用该模型从混凝土的细观非均匀性结构出发,对混凝土试样在单轴和双轴静态载荷作用下的断裂过程进行了数值模拟,给出双轴载荷作用下混凝土的强度包络面。数值模型结果较好地模拟了混凝土试样从裂纹萌生、扩展到宏观裂纹形成的整个断裂过程,与实验结果表现出较好的一致性。     

岩体爆破裂纹扩展速度实验研究

爆破过程中,介质的破裂是由裂纹发展的过程决定的。因此,研究裂纹扩展规律必须研究扩展速度,对探讨岩石断裂控制爆破机理,具有重要意义。文章介绍了岩石的断裂现象,裂纹扩展速度的变化过程、断裂速度的理论计算方法以及一些实验结果与影响裂纹扩展的因素。     

力学损伤混凝土热传导行为细观研究

为研究力学损伤对温度传导行为的影响,考虑混凝土细观结构的非均质性,将其视为由骨料、砂浆和界面过渡区组成的三相复合材料,提出并建立了力学-热学单向耦合作用研究的细观数值方法与模型。方法的思想是:首先对非均质混凝土在荷载作用下开裂损伤力学行为模拟分析,获得其内部的损伤分布情况;然后,将力学分析结果作为初始输入条件,结合复合材料均匀化理论,获得损伤混凝土各细观单元的导热性能,从而实现了力学-热学单向耦合作用的数值模拟。以单轴压缩加载为例,通过与试验结果的对比,验证细观方法的合理性与有效性。基于该套细观数值模拟方法,对荷载作用后混凝土试件的宏观有效导热系数与温度场分布进行了细观计算分析,对比了不同复合材料力学模型的影响,探讨分析了压缩荷载水平的影响规律。     

加载速率及其突变对混凝土压缩破坏影响的数值研究

混凝土动态力学行为具有明显的率相关性,探讨了加载速率及其突变对混凝土压缩破坏模式及宏观力学性能的影响。考虑混凝土细观结构非均质性的影响,从细观角度出发将混凝土看作由骨料、砂浆基质及过渡区界面组成的三相复合材料。采用耦合应变率效应的塑性损伤本构关系模型来描述砂浆基质及界面的动态力学行为;认为骨料不产生断裂破坏,为弹性体。采用Monte Carlo法建立了混凝土二维随机骨料模型,首先对Dilger等混凝土动态压缩试验进行数值模拟,数值与试验结果的良好吻合证明了方法的可行性及细观参数选取的准确性。进而探讨了细观组分应变率效应的影响,对比了混凝土非均质模型与宏观均匀模型的应变率效应,最后分析了软化阶段加载速率突变对混凝土破坏模式及宏观应力-应变关系的影响,并得到了一些有益结论。     

基于随机分布代表性体积的颗粒增强复合材料拉伸断裂破坏模拟

为研究组分材料性能对材料断裂破坏行为的影响,基于计算细观力学,建立施加周期性边界条件的代表性体积单元,对随机分布颗粒增强复合材料的拉伸断裂破坏进行数值模拟.为选取更具代表性的体积单元,采用径向分布函数和平均近邻距离变异系数两种统计方法对生成的随机分布细观结构进行评估.并在此基础上,对复合材料的有效弹性常数进行分析,以验证所选代表性体积单元的有效性.利用选定的代表性体积单元,运用扩展有限元方法对A l2 O 3/T iB2陶瓷复合材料的拉伸断裂破坏进行了数值模拟,重点讨论了颗粒断裂韧性、界面粘结强度对裂纹萌生及扩展的影响.研究结果表明,不同的颗粒断裂韧性下,复合材料的断裂行为基本一致;界面粘结强度对裂纹的萌生及扩展路径影响较为显著,破坏载荷的变化随界面粘结强度的增加分为三个不同阶段.对于A l2 O 3/T iB2陶瓷复合材料,当界面粘结强度为0.6～60 M Pa时,可兼顾界面的韧性和复合材料的断裂韧性.     

基于变分渐近法预测饱和多孔介质流固耦合性能的细观力学模型

饱和岩土类多孔材料内固、液相不同属性产生的各向异性和多孔微结构的不均匀性使得材料的细观力学特性计算变得十分复杂。为准确预测岩土类材料的有效弹性性能和细观应力-应变场,基于Biot多孔弹性介质理论,建立可描述岩土类多孔材料固液相运动的能量泛函和相应的多孔弹性本构关系;利用细、宏观尺度比作为小参数将能量变分泛函渐近扩展为系列近似泛函;以场变量波动函数为未知量,通过解决近似泛函的最小化问题(驻值问题)得到波动函数的解析解,从而建立逼近物理和工程真实性的细观力学模型,并通过有限元技术得以数值实现。多孔介质材料细观力学特性算例表明:与经典均匀化理论(将液体类比为具有较高泊松比的固体材料)相比,基于变分渐近均匀化细观模型预测的多孔介质材料细观力学特性更精确,尤其是能准确重构多孔微结构内局部应力-应变场分布,为损伤破坏、局部断裂分析奠定了坚实基础。      

基于PFC3D的机床床身用树脂矿物复合材料损伤性能细观研究

为研究机床床身用树脂矿物复合材料在典型工况下的损伤演化过程、破坏失效形式,基于颗粒流数值模拟技术(Three-dimensional particle flow code,PFC^3D),考虑级配和随机骨料形状,建立了包含骨料、界面过渡区、树脂基质、孔隙的树脂矿物复合材料四项介质离散元模型。结合机床典型工况下的受力情况,研究了树脂矿物复合材料损伤演化过程及裂纹分布规律,并从细观角度研究了裂纹萌生、扩展、贯穿的形成机制。研究结果表明:（1）树脂矿物复合材料损伤演化过程可以明显分为四个阶段;（2）骨料与树脂基质的界面过渡区首先起裂,并在与加载平行且无大骨料支撑的薄弱位置出现试件的压溃现象。该项研究为树脂矿物复合材料作为机床基础件材料的损伤性能细观研究提供参考依据。     

T700轴向增强经编织物复合材料力学性能的模拟分析与试验研究

应用一种新型界面元模型研究了复合材料层间剪切损伤。通过引入双线性损伤准则和损伤演化,预报复合材料层间裂纹扩展。轴向增强经编织物复合材料由针织纱线引起的纤维变形(KYD)产生了富树脂区域,基于细观力学理论提出了一种新的研究轴向增强经编织物单胞模型受单向拉伸和剪切时KYD区周围应力分布的方法,得出了单胞在受载时首先在这一区域产生裂纹。对单轴向T700经编织物复合材料进行了三点弯曲性能和层间剪切性能试验测试,分析了经编织物复合材料的力学特性。分别模拟了弯曲性能和层间剪切性能试验,得出了最大预报载荷值与试验值误差小于10%,并基于有限元模型研究了复合材料面内损伤和层间裂纹扩展损伤机制。     

具有短纤维增韧界面的复合材料夹芯梁断裂机制的实验和数值研究

对界面含短纤维的复合材料夹芯梁增韧特性进行了实验和数值研究。采用真空辅助树脂注射工艺制成复合材料夹芯梁, 并测定了含增强与未增强复合材料夹芯梁的界面断裂韧性。基于单根短纤维在界面裂纹扩展时其剥离和拔出过程产生的能量耗散, 建立了相应的细观模型。然后, 假设短纤维在界面内随机均匀分布, 得到在单位面积下短纤维能量耗散的宏观表达式。在宏观尺度上, 建立了用于界面裂纹扩展分析的双悬臂梁有限元模型, 通过引入非线性弹簧单元, 以反映界面短纤维所产生的桥联特征, 并采用虚裂纹闭合技术计算了裂纹尖端的能量释放率。通过典型复合材料夹芯梁断裂分析和参数讨论, 证实了本文中提出的随机分布细观模型预测短纤维耗散能量的有效性。实验及数值结果表明, 在复合材料夹芯结构界面中引入短纤维将是一种提高其界面断裂韧性的有效措施。      

基于有限元的细观力学在耐火材料中的研究现状

耐火材料是一种典型的多相非均质材料,在成型或烧成等工艺过程中不可避免地形成裂纹、气孔等缺陷,理论上提高表面断裂能或降低抗张强度是提高材料抗热震稳定性的有效途径。现有研究表明,耐火材料的抗热震稳定性很大程度上和骨料与基质之间的界面结构相互关联,在细观尺度上对材料界面结构进行设计和裁剪,已成为当前耐火材料研究的一个新趋势。细观力学结合有限元的材料设计方法能直观有效地揭示材料内部细观结构与宏观力学性能之间的关系,在复合材料尤其是混凝土领域的研究已相当深入,可为细观力学在耐火材料中的应用提供思路,促进耐火材料结构与性能一体化的研究发展。     

Z-pin增强复合材料Ⅰ型断裂韧性数值分析

采用细观力学方法以及虚拟裂纹闭合法(VCCT)对含有Z-pin增强复合材料双悬臂梁(DCB)结构Ⅰ型断裂韧性进行了研究。利用有限元法建立了结构模型,采用实体单元模拟复合材料层压板结构和非线性弹簧元模拟Z-pin。通过计算应变能释放率对含有不同体积分数Z-pin的复合材料层压板Ⅰ型断裂韧性与不含Z-pin的复合材料层压板Ⅰ型断裂韧性进行了对比分析。研究表明,含有Z-pin增强复合材料双悬臂梁(DCB)结构Ⅰ型断裂韧性在裂纹扩展过程中受到Z-pin桥联作用的影响而显著增强,且其增强效果与Z-pin的体积分数、处在桥联区的Z-pin数目均相关,这表明Z-pin增强方法能够有效提高复合材料层压板的分层扩展阻力。     

城轨列车制动盘SiC_(p)/A356复合材料热疲劳裂纹扩展机理EI北大核心CSCD

为研究制动盘服役温度载荷及材料微结构对SiC_(p)/A356复合材料热疲劳裂纹扩展行为的影响,明确其热疲劳裂纹扩展微观机理,开展SiC_(p)/A356复合材料热疲劳裂纹扩展实验。结果表明:裂纹扩展过程包括由SiC颗粒偏转作用和二次裂纹释放扩展驱动力导致的缓慢扩展阶段和主裂纹与裂纹扩展前端微损伤连接的快速扩展阶段;加热温度较低时,裂纹扩展的“台阶状”特征明显,整体扩展速率较低,裂纹宽度较小,裂纹扩展方式为颗粒断裂、轻量基体撕裂和沿界面开裂;加热温度较高时,“斜直线跃升”阶段更为明显,裂纹宽度较大且扩展速率较高,裂纹扩展以颗粒脱落以及大幅度基体撕裂为主;主裂纹总是通过选择沿SiC颗粒群或者直接穿过α-Al基体以阻力较小的方式向前扩展,Si相承载时极易发生断裂,成为裂纹扩展源,同时裂纹扩展前端的微损伤对其扩展具有引导作用。     

借助扫描电子显微镜研究纤维复合材料中裂纹的扩展

借助扫描电子显微镜研究了碳纤维增强复合材料的裂纹扩展模式及其断裂表面。所用的复合材料样品是一种由单向碳纤维增强的环氧聚合物基体。为了探讨其组份材料力学性能上的差异对该复合材料综合裂纹扩展行径的影响,采用三种不同类级的碳纤维,同时在基体材料中加入若干数量的增塑剂。根据由细观照片上观察到的裂纹扩展行径,推断出涉及该复合材料的强度、破坏的模式和两相之间的粘结等方面的结果。