基于扩展有限元分析技术的古建木梁裂纹扩展仿真(英文)

古建木梁在外力作用下很容易产生水平裂纹。为保护古建筑,采用XFEM数值模拟方法,研究了水平荷载作用下古建木梁的裂纹扩展特性。基于木材材料特性,仅考虑木梁沿水平向产生裂纹,建立了含裂纹木梁的简化有限元模型。在顶部施加了水平位移荷载,研究了裂纹扩展过程中木梁应力、变形及裂缝的变化特征,讨论了不同因素对裂纹扩展特性的影响。结果表明:随着荷载步增大,木梁变形峰值增大,但表现不明显;木梁主应力峰值明显增大,且发生在裂尖附近;增大外荷载时,木梁应力峰值增大明显,其裂纹容易产生扩展;增大裂纹初始长度时,木梁受力性能变化不大。此外,采用有限元法中的XFEM技术可提高古建木梁裂纹扩展研究的效率,并进一步深入分析结构裂纹扩展失效机制,从而为古建筑保护提供有效参考。     

累积变形影响下的半刚性节点古建木柱正截面压应力及承载力解析解

古建筑木结构在长期竖向荷载作用下会产生累积变形,针对累积变形古建筑木柱在竖向荷载作用下平面应力问题,运用弹性力学方法求解了应力与位移分量及屈服荷载解析解.结合半逆解求解方式和等效荷载法,将累积变形柱进行了等效简化,对于古建筑端部半刚性特性,运用位移和应力边界条件进行处理.研究结果表明:柱跨中侧向挠曲变形对截面压应力影响大,而端部侧移影响较小;半刚性节点的非线性对截面压应力影响显著.通过Ansys数值计算与理论公式进行了对比,讨论了累积变形对木柱屈服荷载的影响,解析解与数值解结果吻合良好.研究结果对长期竖向荷载作用下有累计残损变形的古建木柱力学状态评估有一定的借鉴意义.     

移动荷载下沥青路面双Top-Down裂纹扩展特性

目的研究沥青路面双Top-Down裂纹在移动荷载作用下的扩展特性.方法基于断裂力学与动力学理论,考虑沥青混合料的黏弹性特性,采用有限元数值模拟方法,研究含双Top-Down裂纹沥青路面在移动荷载下的动力响应,分析裂纹间距与面层材料类型对裂纹尖端应力强度因子的影响.结果在移动荷载的作用下,双裂纹并存时面层加速发生Ⅰ、Ⅱ型开裂扩展要比单裂纹的情形更为严重;对于居中裂纹,随着裂纹间距的增大,K_Ⅰ的峰值略有增加,而KⅡ的左峰值逐渐增大,右峰值则逐渐减小;对于侧边裂纹,K_Ⅱ峰值随裂纹间距的变化规律与居中裂纹相反;当荷载作用在居中裂纹或侧边裂纹正上方时,就裂纹间距而言,间距大易引发Ⅰ型裂纹扩展,间距小易引发Ⅱ型裂纹扩展.结论在移动荷载作用下,对于已存在居中裂纹或侧边裂纹的面层,改性沥青SMA材料Ⅰ的抗开裂扩展性能最优,改性沥青AC材料Ⅲ其次,而普通沥青AC材料Ⅱ最差.     

循环加卸载条件下脆性岩体裂纹演化规律

采用离散元颗粒流软件对预制双裂隙大理岩的裂纹扩展及力学响应进行分析,在获得一组较完善的岩石细观参数的基础上,模拟含不同预制倾角的双裂隙岩石试样在三轴循环加卸载作用下裂纹的扩展与破坏特征。研究结果表明:裂纹扩展情况不仅受到预制裂隙倾角的影响,而且也随着围压的变化而变化;在三轴循环荷载下,预制的水平裂隙对倾斜裂隙有一定的保护作用,随着倾角α增大,水平预制裂纹对倾斜预制裂纹的保护作用越明显;预制双裂隙大理岩在循环加卸载作用下,裂纹数量随围压增大而增大,且在整个循环加卸载过程中,微裂纹数量曲线呈现相同的增长规律;倾斜裂隙的角度α对试件的峰值强度也有一定影响,当α增大至60°时,在不同围压下的峰值强度均显著提升,α60°时峰值强度增加幅度又变小。     

基于扩展有限元法的应变硬化材料ECC的断裂破坏仿真分析

在Abaqus平台上采用扩展有限元方法(Extended Finite Element Method,XFEM),对ECC(Engineered Cementitious Composites)应变硬化材料,采用3点弯曲切口梁模拟结构的裂纹扩展情况以及缝端的应力-应变分布情况,将计算结果与试验结果进行比较,验证XFEM在模拟应变硬化材料裂缝扩展方面的有效性和准确性.结果表明,模拟结果可以为全桥、半桥应变片的粘贴位置提供更为精确的指导;XFEM法可以模拟ECC的裂缝扩展过程,并预测ECC裂缝扩展长度的大小,但XEFM未能模拟出多裂纹的扩展过程,导致仿真结果比实验结果偏小;模拟得到的起裂荷载和峰值荷载与试验结果较为接近,而峰值荷载与试验结果的误差仅为7.56%,为应变硬化材料实际带裂纹工作的工程问题提供了解决问题的方法.最后,提出利用能量的概念来评价ECC的应变硬化程度更为合理.     

节理频度对类岩石介质裂纹扩展行为的影响

为研究节理频度对类岩石介质受冲击荷载作用时动态裂纹扩展行为的影响,借助新型数字激光动态焦散线实验系统进行了试验研究.结果表明:随着节理频度的增大,竖向裂纹起裂时的动态应力强度因子减小,但大于水平节理翼侧裂纹起裂时的应力强度因子;裂纹扩展至节理区域时,动态应力强度因子有一个交替震荡的过程,此过程持续时间随节理频度增大而延长;竖向裂纹从加载到起裂时间并不明显改变,但从起裂到试件贯通破坏的时间近似线性增长;竖向裂纹起裂后的速度随节理频度增大有所减小,但大于裂纹扩展通过节理区域后的速度.可见不同节理频度类岩石介质的裂纹扩展行为存在差异,为冲击荷载下岩石断裂破坏提供理论参考.     

沥青路面表面裂纹扩展机理研究

随着长寿命沥青路面概念的提出,沥青面层厚度的增加,表面裂纹取代反射裂缝成为沥青路面开裂破坏的主要形式.本文基于断裂力学理论,利用无网格伽辽金/有限元耦合方法,对沥青路面表面裂纹的扩展进行了数值模拟,通过对表面裂纹扩展过程中的应力强度因子变化规律和裂纹扩展路径的分析,以及面层、基层设计参数对裂纹扩展的影响的研究,探讨沥青路面表面裂纹扩展机理.结果显示,相对于不考虑行车荷载水平分量的情况,考虑行车荷载的水平分量时表面裂纹的扩展更不利,行车荷载水平分量会增大裂纹尖端的应力强度因子,并减短裂纹扩展的路径;裂纹扩展过程中,应力强度因子经历一个急剧增大——缓慢减小——缓慢增大——急剧增大的过程;随面层、基层厚度的增加,表面裂纹尖端的应力强度因子降低,随着面层模量的增大,表面裂纹尖端的应力强度因子增大;面层模量、基层模量对裂纹扩展路径的影响不大.     

冲击荷载下含裂纹缺口三点弯动态断裂实验

为研究缺口大小对含裂纹缺口构件动态断裂的影响,采用动态光弹性实验方法,对含裂纹缺口试件进行了冲击实验.基于冲击断裂过程中试件的等差条纹变化图片和动态应变仪采集的应变数据,分析了冲击荷载下裂纹尖端的动态应力强度因子、裂纹扩展速度和锤头应变的变化规律.结果表明:不同缺口角度试件受到冲击荷载后,应力强度因子的变化随时间变化的趋势基本一致,应力强度因子的峰值随角度增大而增大,应力强度因子的峰值在缺口角度大于90°后增大更显著;锤头应变都表现出先压缩后拉伸然后逐渐震荡趋于平缓的变化规律,当缺口角度大于90°时,锤头的最大压应变增长趋势显著增加;不同缺口角度试件的裂纹扩展速度随时间变化规律基本一致,但当缺口角度大于90°之后,试件的起裂时间显著延长.由此得出结论:当缺口角度对含裂纹缺口构件的动态断裂有一定影响,当缺口角度小于90°时影响不显著,当缺口角度大于90°时起裂难度显著增加.     

基于权函数法的沥青路面基-面层裂缝的扩展行为

为了研究半刚性基层沥青混凝土路面在行车荷载作用下出现的基层反射裂缝及其扩展规律,基于黏弹性断裂力学理论和权函数法,对反射裂缝的应力强度因子进行了分析,推导了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹断裂判据理论.采用数值模拟方法分析了结构层厚度及荷载位置对基层反射裂缝的影响,并通过单边切口小梁试验研究了面层裂缝扩展模式.研究结果表明:Ⅰ型(K_Ⅰ)和Ⅱ型(K_Ⅱ)应力强度因子受路面结构层厚度的影响较大,在行车荷载作用下Ⅰ型裂纹扩展模式起主导作用,增加基层厚度对防止反射裂纹的产生有一定的效果;在考虑水平荷载作用时,Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子均随荷载位置的变化而变化,随着荷载与裂纹距离的不断增加,K_Ⅰ逐渐减小,K_Ⅱ逐渐增加,反射裂缝逐渐偏向Ⅱ型裂纹扩展模式;在不考虑水平作用时,基层反射裂纹以Ⅰ-Ⅱ复合型形式出现,并在应力集中下向面层扩展,扩展模式表现为Ⅰ-Ⅱ复合型.     

周期荷载作用下煤的疲劳变形及能量演化特征

为研究单向应力状态下周期荷载对煤疲劳破坏特性的影响,利用MTS815.02岩石力学试验系统进行了多级周期荷载试验.试验结果表明:(1)当周期荷载峰值应力低于煤样疲劳强度时,煤样变形具有初始和停滞两个发展阶段,耗散能呈L型演化规律;当周期荷载峰值应力超过煤样疲劳强度时,煤样变形具有初始、等速和加速3个发展阶段,耗散能呈U型演化规律;(2)对于煤样的疲劳破坏,环向变形和体积变形比轴向变形更为敏感;(3)常规单轴压缩试验时,煤样大致呈单斜面剪切破坏,局部伴随拉伸破坏;周期荷载试验时,煤样破坏后产生许多小碎块,偶尔可见较大块体;(4)只有当周期荷载峰值应力高于煤样的疲劳强度时,煤样内部微裂隙才开始大量萌生、扩展、贯通,这一过程将最终导致煤样发生疲劳破坏.     

循环动载下大理岩的力学响应及裂隙扩展规律

为研究大理岩在循环冲击载荷下的动态力学性能,利用分离式霍普金森压杆装置(SHPB)及核磁共振装置(NMR),研究循环动载(1～10 s~(-1))冲击下岩石内部的裂隙发展规律.结果表明:岩石在循环动载冲击下,峰值应力随应变率的增大变化很小,但是随着冲击次数增加,存在一个临界应变率或冲击次数,当达到该临界值时,峰值应变快速增大;岩石在最初冲击时,表现出明显的弹性后效,随着冲击次数增加,岩石内部裂纹起裂时间越来越早,且裂纹扩展越来越快,应变幅值增大;通过核磁共振成像发现,随着冲击次数的增加,裂隙集中发育(白色亮点)愈来愈明显,呈条带状分布,并逐渐贯通.从最终破坏形态来看,大理岩在动载下为轴向劈裂破坏,大块较多.     

碳纤维片材加固RC梁四点弯曲的多重开裂分析

借鉴复合材料力学的分析方法,建立一种分层剪滞模型,研究了碳纤维片材加固钢筋混凝土梁在四点弯曲载荷作用下的多重开裂破坏,求得了梁纯弯段下部钢筋保护层中的最大裂缝宽度和裂缝密度与施加载荷和碳纤维片材的粘贴层数之间的定量关系,计算结果与现有实验值较吻合.结果表明:施加载荷愈大,裂缝密度和宽度愈大;随着碳纤维片材粘贴层数的增加,裂缝间距明显变小,最大裂缝宽度则基本保持稳定;在碳纤维片材粘贴层数较小的情形下,当施加载荷达到或超过某值时,梁纯弯段下部混凝土保护层将出现饱和裂缝群.     

桥式起重机桥架疲劳裂纹扩展的数值分析

采用有限元方法,计算某桥式起重机桥架的最大主应力分布,通过应力状态判断桥架某处裂纹的主要断裂类型,并利用扩展有限元方法(XFEM),计算桥架在最大载荷和最小载荷两种状态下不同裂纹长度时裂纹的尖端应力强度因子(SIF),由此根据Paris疲劳裂纹扩展公式的基本理论,描述该处疲劳裂纹扩展的基本规律,建立裂纹长度与交变应力循环周期数的函数关系,对起重机桥架裂纹短期内快速扩展的原因给出量化分析。结果表明,低应力的循环作用是该处裂纹形成和快速扩展的原因。     

考虑上部结构附加荷载的古城墙数值模拟研究

为保护古城墙,以故宫角楼位置的城墙为例,研究了角楼内增设文物对城墙的受力性能影响.利用ANSYS仿真技术,根据城墙砌体及城土的力学参数,建立了角楼处城墙有限元模型,进行了接触分析.通过分别考虑角楼内增设文物前后两种工况,研究了城墙的内力和变形,获得了不同条件下角楼处城墙的承载能力.结果表明:角楼内增设文物前后,城墙的变形及压应力变化不大,且在容许值范围内;但城墙的主拉应力峰值在增设文物后超过容许值.因此,从保护文物角度上讲,现有角楼处城墙承载性能已达到正常使用极限状态,不适宜存放增设文物.     

钢板梁桥腹板加劲肋焊缝疲劳开裂后的应力特征

通过建立钢板梁桥节段有限元模型分析了主梁腹板与加劲肋连接焊缝部位的开裂特征,基于最不利车辆荷载位置分析了腹板间隙不同横向荷载位置下的正应力与剪应力特征,以及裂纹长度的变化对腹板面外变形的影响;通过对比不同裂纹长度时裂纹尖端和裂纹最深点的应力强度因子值,分析了裂纹长度对裂纹前缘的受力特征以及扩展速率的影响.研究结果表明:...     

木结构榫卯节点耐火极限试验研究

为研究我国古建木结构榫卯节点的抗火性能,进行了4个燕尾榫榫卯节点的耐火极限试验、以及1个未受火对比试件的承载力试验研究.承载力试验表明,未受火对比试件的梁跨中竖向位移基本随荷载线性变化,没有明显屈服点,延性较差.根据该对比试件的承载力试验值、以及各耐火极限试件持荷比参数取值,确定了耐火极限试件的预加恒定荷载值.耐火极限试验中,持荷比25%,37.5%,50%试件的耐火极限分别为59,44,21min,持荷比50%并涂有防火涂料试件的耐火极限为58min,表明持荷比的减小、以及采用防火涂料均可显著提高耐火极限.温度数据表明,持荷比对温度上升速率没有明显的影响,榫头与卯口之间2~4mm的微小间隙对传热的影响几乎可以忽略.     

基于扩展有限元法的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展研究

基于扩展有限元法(XFEM)研究了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展问题. 对于裂纹面间的力学行为,用内聚力模型(CZM)进行了描述. 推导了引入内聚力模型后扩展有限元法的单元刚度矩阵,研究了加载方向对紧凑拉剪试件复合型裂纹扩展的影响. 研究结果表明:加载方向对裂纹起裂角影响较大,试件的最大承载力随着加载角度的增大近似线性增加;同时,在不同加载角度下数值模拟得到的裂纹起裂角和力-开口位移曲线与实验结果相吻合.      

基于XFEM的重力坝裂缝扩展路径的探讨

近年来,扩展有限元法被广泛用于处理不连续问题,因该方法克服了常规有限元法在模拟裂缝扩展时需不断的网格重划分及对裂纹面与单元边界一致性的要求而导致的繁琐计算和误差等缺点.用二维扩展有限元法模拟了带水平缝混凝土重力坝在水压作用下裂缝的扩展路径.首先,讨论了裂缝扩展增量对其路径的影响,然后研究了裂缝在不同高度和初始长度下的扩展路径.结果发现扩展增量对裂缝扩展路径方向影响甚微,但对大坝的位移影响较大;裂缝的高度和长度对其扩展路径影响均不大.     

平遥古建筑大木构件装饰与建筑空间的关系

从感知的角度初步分析了平遥古建筑中大木构件装饰对于营造建筑空间氛围的作用,并对各主要古建筑大木构件装饰状况与建筑空间进行了详细的分析。从时代性和地域性两方面对研究对象进行了深入探讨,揭示了平遥古建筑大木构件装饰的完整面貌,以及"结构性装饰"这一中国建筑中特有的装饰效果。     

支柱瓷绝缘子表面裂纹应力强度因子的有限元分析

通过ANSYS实体建模方法创建了含半椭圆表面裂纹的支柱瓷绝缘子有限元模型,裂纹前缘采用三维20节点等参退化奇异单元模拟尖端的应力应变奇异性,利用1/4节点法计算了弯曲载荷作用下瓷绝缘子裂纹前沿的应力场强度因子,得出KI随裂纹尺寸、位置及载荷水平改变时的变化规律.计算结果表明:相同条件下,支柱下法兰口与底部第一伞裙之间的表面裂纹最深点具有最大的应力强度因子,且KI值随裂纹形状比的增大而减小,随裂纹深度及载荷的增大而增大.