梁-颗粒模型的改进及其在无序介质破坏全过程模拟中的应用

为了能够更真实地模拟脆性无序介质的损伤破坏全过程,本文对梁－颗粒细观数值模型进行了部分改进,将颗粒单元由圆形改成了Ｖｏｒｏｎｏｉ多边形．算例表明,改进后的梁－颗粒细观数值模型能够更形象地实时给出介质的破坏图象,这对揭示脆性无序介质的损伤破坏机理等具有一定的理论意义．     

水泥土桩设计探讨

根据对水泥土桩的受力破坏机理的分析， 认为水泥土桩是介于刚性桩与柔性桩之间的桩．提出了可通过对桩身强度的控制使其按刚性桩设计．从而达到既充分利用材料的性能又可提高桩的单桩承载力的目的．     

界面强度对柔颗粒增强复合材料破裂特性的影响

界面强度对复合材料的破裂特性和破裂机理具有非常重要的影响。研究了不同界面强度的柔颗粒增强脆性基复合材料在单轴拉伸荷载下的力学性能和破坏过程。在细观尺度上考虑了材料介质力学参数的非均匀分布,采用基于细观损伤力学开发的针对材料破坏过程分析的RFPA2D数值模拟程序,对复合材料从裂纹萌生、扩展直至失稳破坏的全过程进行数值模拟。结果表明,当界面结合较强时,复合材料主要发生穿晶破坏,材料韧性较好但强度较差;当界面结合较弱时,复合材料主要产生沿晶破坏,材料韧性较差而强度较好。     

短纤维增强脆性基复合材料破坏过程和力学性能研究

 研究短纤维增强脆性基复合材料在单轴拉伸荷载下的力学性能和破裂机理。采用基于细观损伤力学基础上开发的针对材料破坏过程的数值分析软件,考虑材料细观非均匀性,对复合材料的变形、损伤直至失稳破坏的全过程进行数值模拟。结果表明,加入短纤维后,材料试件的强度和韧性都比基体材料显著提高。短纤维强度的变化对复合材料试件的强度和刚度没有明显影响;而短纤维弹性模量的变化对复合材料试件的强度、刚度和韧性均影响明显,随着短纤维弹性模量的增加,复合材料试件的强度和刚度不断增加,但韧性却逐步降低。     

大粒径沥青碎石基层抑制沥青路面反射裂缝的性能

沥青路面半刚性基层开裂后会引起反射裂缝,裂缝向上扩展将导致面层的破坏。文章通过有限元软件ABAQUS建立三维20结点等参元有限元模型,并应用断裂力学理论,对基层开裂的路面结构进行数值模拟和力学分析。数值模拟结果表明:在考虑偏载的情况下,当沥青路面下基层开裂时,采用柔性材料大粒径沥青碎石上基层替换原有的半刚性材料水泥稳定碎石上基层可以明显减少裂缝尖端的最大应力值,降低应力强度因子,从而有效地抑制反射裂缝的发展,延长面层的使用寿命。     

颗粒复合材料破坏行为的梁-颗粒模型研究

对梁－颗粒细观模型进行了改进．为了模拟颗粒复合材料（如混凝土和砂岩）的非均质性和无序性，骨料颗粒和胶凝材料分别被假定为一系列的“实颗粒”和“虚颗粒”，所有这些颗粒均用梁单元联结．颗粒的运动规律由离散单元法和有限单元法确定．当梁单元所受应力超过其强度时，就随即将它从计算网格中去除，以模拟材料的破坏行为．此外，还探讨了如何选择计算参数以及结构缺陷对力学行为影响等问题．数值模拟结果表明，本文模型计算得到的试件破坏模式与已有实验观察到的结果一致．     

应力比对脆性材料断裂影响及应变断裂准则验证

应用材料破坏分析软件MFPA2D(material failure process analysis),模拟了平面应力下双向应力比不断变化条件下脆性材料的不同破坏失稳过程,并以玻璃为例,重点研究了其在复杂应力状态下不同双向应力比对脆性材料裂纹扩展和断裂的影响. 研究结果表明,裂纹失稳扩展时的应力强度因子值随着双向应力比的升高而升高. 该结果证明双向应力确实对脆性材料的断裂韧性有影响. 理论分析得出的应变失效准则与数值模拟研究结果及试验结果的比较研究表明,应变失效准则作为脆性材料在双向应力下的断裂准则是可行的.     

双颗粒几何分布对脆性基复合材料力学性能的影响

在材料细观非均匀性的基础上研究了不同几何分布的双颗粒脆性基复合材料的宏观力学性能以及对复合材料破坏机理的影响.结果表明当保持间距不变,双颗粒分布方向垂直于加载方向时,复合材料的韧性最好、峰值强度最低;而与加载方向一致时,复合材料的韧性最差、峰值强度却最大.当颗粒沿着垂直于加载方向排列时,随着颗粒间距减小,复合材料的峰值强度也减小,这主要是颗粒之间的耦合效应造成的;而当颗粒沿着加载方向分布时,颗粒间距的变化对复合材料的峰值强度没有显著影响.颗粒的不同几何分布对材料的弹性模量影响甚微.     

纤维增强脆性基复合材料的力学性能和破裂过程研究

研究了弱界面长纤维增强脆性基复合材料在单轴拉伸荷载下的力学性能及其破裂机理和破坏过程。采用基于细观损伤力学基础上开发的针对材料破坏过程分析的MFPA2D数值模拟程序,考虑材料物理力学参数在细观尺度上的非均匀性,对复合材料的变形、损伤直至失稳破坏的全过程进行数值模拟。结果表明当脆性基体复合纤维后,复合材料的强度、刚度都随之提高,并随纤维的增加而增加;复合材料的韧性也大为增强,可观察到界面脱粘、裂纹偏折、纤维桥联和拔出等现象,并得到相应的声发射模拟结果。     

冲击载荷下混凝土破坏过程数值模拟

用二维梁-颗粒模型BPM2D(Beam-Particle Model in Two dimensions)模拟了混凝土动态破坏过程.梁-颗粒模型BPM2D是在离散元法基础上,结合有限元法开发的二维数值计算模型. 在模型中用三种类型梁单元形成混凝土数值试样.每种类型梁单元的力学性质均按韦伯(Weibull) 分布随机赋值以模拟混凝土细观结构的非均匀性,同时梁单元的强度随应变率不同而变化.利用此模型分析了混凝土板在弹体冲击条件下的破坏过程,并给出不同弹体初始速度条件下混凝土内部应力波传播过程.通过将计算结果与实验数据相比较,表明梁-颗粒模型可有效应用于计算和模拟脆性材料动态破坏问题.     

界面性质对颗粒增强复合材料力学性能和破裂过程的影响

界面的力学性质对复合材料的力学特性和破裂机理具有非常重要的影响。研究了具有不同强度界面的颗粒增强脆性基复合材料在单轴拉伸荷载下的力学性能及其破坏过程。从细观尺度考虑了各相材料力学参数的非均匀分布,采用基于细观损伤力学开发的针对材料破坏过程分析的MFPA2D数值模拟程序,对复合材料从裂纹萌生、扩展直至失稳破坏的全过程进行数值模拟。结果表明,当界面结合较强时,复合材料的强度较高但韧性较差;当界面结合较弱时,复合材料的强度较弱而韧性较强,说明较强的界面可有效传递荷载,而较弱界面可增加复合材料的韧性。     

考虑劈裂对应力集中缓解作用的纤维增强复合材料损伤破坏分析

外载荷作用下含缺口纤维增强复合材料层合板在缺口边缘存在很高的应力集中,在载荷水平较低时,缺口边缘纤维间基体受剪切作用会发生沿纤维方向的纵向劈裂,该纵向劈裂会降低缺口处的应力集中并提高层合板的承载能力。为准确模拟纵向劈裂对缺口边缘应力集中的缓解作用,利用扩展有限元方法模拟劈裂建立了复合材料层合板渐进性损伤破坏分析的仿真模型,模型选用Hashin破坏准则对复合材料层合板的失效进行预测,分别研究了铺层顺序和缺口形状对复合材料层合板抗拉强度的影响,并与现有文献中的实验结果进行了对比,模拟结果表明破坏模式和破坏强度均与实验结果相吻合,验证了本文渐进性损伤破坏分析仿真模型的有效性。     

碳纤维增强树脂开孔层合板轴向拉伸失效模拟分析

基于ABAQUS平台,建立了开孔复合材料层合板轴向拉伸渐进失效模型.以二维Hashin作为损伤准则,考虑了基体拉伸、压缩失效和纤维拉伸、压缩失效模式.讨论了层合板的受力与失效形式,分析了铺层角度、中心孔尺寸对极限载荷的影响.研究结果表明:失效模式主要表现为纤维拉伸失效和基体拉伸失效,纤维作为复合材料板的主要强度来源,在力与纤维方向发生偏差时,层合板力学性能急速下降;中心孔越大,层合板力学性能越差,并且层合板力学性能与中心孔尺寸成线性关系.     

雷击作用下复合材料层合板的烧蚀损伤表征及剩余强度影响因素分析

为表征复合材料雷击烧蚀损伤,基于唯象分析方法,建立了雷击烧蚀损伤引起的材料力学性能退化模型. 采用连续损伤力学(CDM)方法提出了复合材料雷电烧蚀损伤的三维渐进损伤退化模型,采用Hashin和Yeh分层失效准则,验证了失效点的发生情景. 根据所建立的模型和刚度矩阵渐进损伤退化模型的编码,利用ABAQUS软件并结合UMAT子程序预测了拉伸载荷下雷电烧蚀损伤复合材料层合板的残余强度,最终的仿真精度验证了该模型的有效性.     

L 型碳纤维增强复合材料连接件承载力的渐进损伤分析

从试验与计算两个方面, 对比研究了 L 型碳纤维增强复合材料连接件(carbon fiber reinforced composite connector, CFRCC)的失效形式和极限承载力. 结果表明: ① 在拉伸载荷工况下, 复合材料 L 型 CFRCC 失效形式主要为圆角处的分层和开孔周边基体破坏; ② 对比两种失效准则和两种退化准则的不同组合, 发现在有限元分析中采用混合失效准则和 Camanho-Matthews 刚度退化准则的渐近失效分析方案可以较好地模拟实验现象; ③ 将有限元分析模型及其模拟获得的参数应用于预测不同辅层顺序和圆角半径的 L 型 CFRCC 性能, 与试验结果吻合良好, 极限承载力误差为 9.4%. 建立的"设计-试验-模拟-预测-验证"分析方法及其获得的结果可为复合材料 L 型构件的强度设计提供借鉴.     

The strain ampli tude-controlled cyclic fatigue behavior of Al2O3 fiber reinforced Al–Si alloy composite at elevated temperatures

The strain amplitude-controlled fatigue characteristics of an Al–Si casting alloy and itscomposite reinforced with 17 vol% Al₂O₃ fibers (Al–Si/Al₂O₃) are studied at three different temperatures. Both the alloy and the composite showed different degrees of cyclic softening at elevated temperatures. Increasing the temperature, fatigue damage of either the alloy or the composite occurred with varying mode from brittle fracture of silicon particles to their separation from the aluminum matrix. This is explained by the different thermal expansion coefficients of silicon particles and the aluminum matrix. The reinforcement Al₂O₃ fibers in the composite showed a similar damage behavior with those silicon particles despite temperature variation     

含孔复合材料层合板拉伸失效分析研究

对国产T700/双马树脂基复合材料的含孔层合板进行了拉伸失效分析研究,分析了不同开孔直径和开孔形状对复合材料层合板拉伸性能的影响,利用有限元软件ABAQUS建立逐渐损伤失效模型,对复合材料层合板的拉伸强度进行数值模拟。研究结果表明：对于不同开孔直径的复合材料层合板,随着圆孔直径的增大,拉伸强度显著下降,对于不同开孔形状的复合材料层合板,含圆孔的层合板拉伸强度最大,然后依次是椭圆孔、方形孔、菱形孔,层合板的断裂模式都为过孔破坏。数值模拟得到的强度值与试验测量的强度值吻合较好,为含孔复合材料层合板的强度预测提供了一种有效的方法。     

高速铁路绝缘轨距块用增强尼龙专用料研究

以尼龙(PA)为基体树脂,通过不同黏度的PA复合,优化选择了具有较好加工性能和机械强度的基体材料。同时,选择不同直径的玻璃纤维,研究玻璃纤维种类和含量对复合材料性能的影响,对比普通玻璃纤维和无碱玻璃纤维对复合材料的耐醇解性能影响,使复合材料具有优异的耐高温性能和较好的耐醇解性能。为了提高抗氧剂的物理损耗性能,制备了纳米二氧化硅表面负载抗氧剂,并采用红外光谱法研究了接枝结构。     

T700碳纤维增强复合材料螺栓连接的渐进损伤分析

为了研究及预测T 700碳/环氧复合材料螺栓连接的失效模式和失效载荷,建立基于蔡吴准则的T 700碳纤维复合材料[45_3/90_3/-45_3/0_3]_s双搭接螺栓连接的渐进损伤模型;采用渐进损伤模型分析了不同孔端距/孔直径(E/D)值对螺栓连接失效载荷的影响。结果表明:复合材料中90°铺层损伤最为严重,±45°铺层相比90°铺层损伤较少,0°铺层损伤与其他铺层相比最低。当E/D≤3时,E/D的增加能显著提高失效载荷;当E/D3时,E/D的增加对失效载荷的提高不明显,表明整体预测误差在8%以内,可见该渐进损伤模型可以较好地预测螺栓连接的失效模式及失效载荷。