基于元／网格动量传递的离散元与有限元耦合的时空多尺度算法

建立了时间多尺度与空间多尺度兼顾的离散元与有限元耦合的时空多尺度计算模型,并推导了基于元/网格动量传递的力学和动力学参变量的过渡算法,实现了离散元与有限元耦合过渡区内参变量信息的合理交换,从理论上解决了时空多尺度计算中离散元区域与有限元区域之间物理和力学特征的光滑过渡问题.通过弹性应力波在细长杆中传播的算例,验证了该时空多尺度数值计算方法具有较高的准确性和计算效率.     

基于多尺度方法的单晶硅纳米切削

通过在关键区域采用分子动力学(原子)描述、在远场弹性变形区域采用有限元(连续介质力学)描述建立了单晶硅纳米切削的多尺度模型。在边界区域,分子动力学和有限元互为彼此提供边界条件从而实现分子动力学区域和有限元区域的耦合。利用多尺度模型研究了单晶硅的纳米切削过程,结果表明纳米切削中工件以推挤的方式在刀具前方形成切屑。纳米切削中工件的原子键长分布、不同配位数的原子数变化和工件MD区域的原子构型的研究表明,纳米切削中发生了4配位的金刚石立方α-Si向6配位的β-Si结构的转变,即相变是纳米切削中硅的主要变形机制。该研究实现了单晶硅纳米切削的多尺度建模,为进一步探索纳米切削的微观机理提供了一种有效手段。     

铁素体-珠光体组织中解理微裂纹形成的细观力学分析

针对铁素体 珠光体钢中解理微裂纹的形成机理,用有限元方法计算了铁素体 珠光体组织细观尺度内应力应变的分布及其随外加宏观应力的变化.研究结果表明,铁素体内的等效应力σe和正应力σ11低于珠光体,但其等效塑性应变εep高于珠光体.在铁素体和珠光体中的等效塑性应变和正应力分布不均匀,在某些铁素体 珠光体边界处存在较高的塑性应变和正应力集中,在某些珠光体中也存在较大的正应力,从而使解理微裂纹易于在该处形核并长大.     

微观孔洞演化的分子动力学研究进展

先进金属材料如镍基单晶高温合金、特种钢材、钛合金、铝合金、3D打印多晶金属中普遍存在微孔洞。由于微孔洞演化和损伤机理性认识缺乏,微孔洞对材料性能影响尚未得到统一认识,关键在于实验手段难以获知应力、应变、能量等物理场。分子动力学模拟可以提供直观的原子运动信息,通常用来研究微孔洞演化对材料性能影响,为先进材料设计和性能调控提供理论依据。通过分子动力学计算得到的能量、应力、应变等,可以为更大尺度计算提供微孔洞演化物理本质。本文针对分子动力学模拟在微孔洞及其演化对材料性能影响的应用,从国内外研究现状出发,总结了当下热点和关键结论,分析了分子动力学应用存在的问题,对未来的发展趋势做出了展望。     

基于多尺度仿真方法的单晶铝纳米切削过程研究

分子动力学切削仿真方法所能模拟的原子数量有限.为了扩大切削仿真规模,该文采用分子动力学与有限元相结合的方法,在QC(Quasicontinuum)方法程序内核的基础上,结合纳米切削仿真的特点,编制出纳米切削多尺度仿真程序.用该程序进行了单晶铝纳米切削过程的多尺度仿真,进而分析了刀具角度对切削过程的影响.仿真结果验证了纳米切削多尺度仿真的可行性.     

流体和固体的多尺度模拟计算：理论及应用

这本书提供了计算物理中不同空间和时间尺度材料模拟的综述,全面而详细地介绍了微观、中观和宏观尺度下凝聚态物质模拟中基本的物理原理、数学概念和处理凝聚态物质动力学的方法。每章第一部分首先概述各个尺度下最基本的物理原理,并尽可能在原始刊物基础上参照各个领域的标准教科书来解释模拟方法。从量子力学开始计算的方法和密度泛函理论到经典的分子动力学和蒙特卡罗方法,再到耗散粒子动力学、连续介质理论和本构方程等有限元方法都有丰富的实例应用,包含了流体、软物质和聚合物的多尺度模拟,有限元中的裂缝产生和延伸等,并涉及了有限元和原子尺度分子动力学的衔接问题。有很多内容是作者自己在这些研究领域内的贡献。这本书还以作者自己的经验介绍了如何设计和编写模拟程序并提供了C程序代码、算法和流程图。     

一种跨原子/连续介质尺度的多尺度耦合方法

基于原子尺度上的分析手段对研究材料变形和失效机理非常重要,且为材料在宏观尺度连续性理论中本构关系的进一步发展奠定了基础.而不同尺度下的连接对揭示材料变形与破坏的多尺度现象具有重要意义.本文建立了一种跨原子/连续介质尺度的耦合数值模型,采用位移迭代方法对原子与有限元节点进行连接.耦合模型算例中观察到了裂纹钝化和空洞扩张的演化结果,与理论和实验结论相符,表明本文提出的方法和模型的合理性.     

LNG低温储罐夹层真空丧失过程内壳裂纹扩展研究

研究液化天然气(LNG)低温储罐夹层真空丧失后,内壳应力-应变及裂纹尖端原子变化规律,揭示该状态下低温容器内壳微裂纹扩展的微观机制。应用分子动力学方法对内壳微裂纹扩展进行模拟计算,得到不同时刻微裂纹附近应力、应变、压力及原子结构的变化。结果表明:在LNG低温储罐夹层真空丧失后,其应力出现峰值后回落并趋于稳定,应力强度因子K IK C,应变不断增加;同时,微观上可见裂纹附近出现位错累积并向前运动,使得裂纹发生扩展。     

金属薄膜裂纹扩展的分子动力学研究

研究了冲击载荷作用下金属薄膜表面裂纹扩展的微观机制,采用分子动力学方法对Cu薄膜进行模拟计算,求得冲击载荷作用下带有表面裂纹模型的系统动能、应力、应变及微观结构变化图.当系统从压应力转变为拉应力状态时,裂纹上的原子获得较大动能,裂纹尖端原子开始发生溅射,继而晶格内部出现空位.当拉应力达到364385MPa时,空位扩大形成裂尖钝劈现象,裂纹发生扩展.结果表明:在高速冲击载荷作用下,金属薄膜裂纹扩展主要原因是系统能量和应力的变化使得微裂纹尖端出现钝劈损伤.     

应用细观力学与扩展有限元法数值模拟钻柱损伤

钻井过程中,钻柱承受着拉扭等多种交变载荷的作用,其损伤机理一直是力学界深入研究的课题.笔者首先根据细观力学分析的基本原理,采用Abaqus软件的脚本语言Python建立细观尺度下晶粒分布模型,然后采用断裂力学算法——扩展有限元法对含有微裂纹的细观尺度下晶粒模型进行计算,分析裂纹的动态扩展过程以及相应的应力应变分布特征,最后根据细观力学中“均匀化”方法对不同时刻的应力应变进行处理,得到微裂纹扩展对钻杆材料宏观性能的影响.在宏观尺度下处于弹性阶段的钻杆材料,在细观尺度下仍会出现塑性区,且在微裂纹不扩展的情况下,弹性模量是恒定的.文章提出的思路为深入探索钻柱材料断裂机理提供了新的方法.     

蒸汽发生器安全端焊接接头应力强度因子计算

推导含初始应力场的扩展有限元(XFEM)弱形式,并应用到焊接导致的残余应力场下裂纹问题数值模拟中。采用互作用积分策略以获得更精确的计算应力强度因子(SIF)。在此基础上,分析蒸汽发生器(SG)安全端异种金属接头在焊接残余应力场下SIF随裂纹深度的变化情况。研究发现,随着焊接接头内侧裂纹的不断深入,SIF先增大、后减小,这表明材料对裂纹扩展的抗力是先增大、后减小的过程。初始应力场施加方法利用了XFEM在模拟裂纹扩展上的优势,避免了网格更新导致的重复计算。     

基于地应力场的复压造新缝力学条件

重复压裂裂缝的延伸轨迹主要受地层应力场的控制,对于重复压裂地层当前应力场是决定裂缝起裂和延伸的关键条件.本文建立了原始地应力场、初次裂缝诱导应力场、孔隙压力诱导应力场模型,并运用叠加原理,建立重复压裂应力场,给出了裂缝转向的力学条件,通过对实际井的计算得出裂缝的周围应力场分布和裂缝的延伸轨迹.     

Ⅰ型裂纹尖端圆弧对应力强度因子影响的数值研究

应力强度因子表征了裂纹尖端奇异应力场的强度,它是研究裂纹扩展规律和带裂纹构件强度的基础。采用有限元法,对受均布荷载作用存在边缘Ⅰ型裂纹的平面板进行了数值分析。研究了裂纹尖端圆弧对应力强度因子的影响,分别计算了具有不同裂尖圆弧r_0的Ⅰ型裂纹的应力强度因子。采用应力法计算不同半径处的表观应力强度因子,插值到裂尖圆弧而得。根据计算结果,绘制K_Ⅰ-r_0曲线,利用最小二乘法拟合至尖裂纹(r_0=0)即得理想尖裂纹的应力强度因子,与解析解相差仅0.7%。该曲线为带圆弧裂纹的应力强度因子测试和带圆弧裂纹构件强度计算提供了依据。     

保角映射方法在各向异性板断裂分析中的应用

采用各向异性体平面弹性理论中的复势方法,引用适当的保角变换,研究各向异性板中穿透性直线裂纹的平面弹性问题。借助应力边界条件推出应力函数的表达式,得到Ⅰ型裂纹尖端附近的应力强度因子、应力场及位移场的解析解.     

具有中间穿透裂纹载流薄板裂纹前缘的应力场

用复变函数方法研究了带有中间穿透裂纹的载流薄板在瞬间电流通入时，在裂纹尖端处由于电流集中及电磁热效应而形成的点热源的计算方法，进而推导并计算了由此热源在裂纹前缘产生的温度场和应力场。通过控制通入电流密度，可以使裂纹尖端温升达到熔化状态，至使裂尖钝化，由温升产生的压应力可以遏制裂纹的扩展。在文中讨论了裂尖附近材料的热传导系数、线胀系数、弹性模量随温度的变化，及其对应力场的影响。     

循环压缩荷载下岩石的疲劳裂纹扩展机制

通过有限元方法建立3种几何条件的岩石裂纹模型．考虑岩石裂纹面接触问题,对循环载荷作用下的裂纹萌‘生扩展进行分析．研究结果表明,裂尖区域在循环压缩载荷作用下的残余拉伸应力是导致裂纹扩展的重要因素．同时,还对不同裂尖几何在裂纹描述的合理性方面提出了一些看法．研究结果表明,裂纹在循环压缩载荷作用下的扩展能力是有限的、稳定的．     

脉冲电流下对AL6061合金进行熔孔止裂与愈合的仿真研究

Al6061铝合金常应用于航空航天领域蒙皮制造,因其中等硬度与低强度的弱点,在承受复杂载荷时容易出现微裂纹,进而影响服役安全可靠性。脉冲电流是一种极速、非平衡的金属材料微小裂纹修复工艺,可以克服该材料不易焊接修复的短板。本文在既有的实验基础上建立单边预制裂纹缺口模型,采用有限元仿真手段,进行了热-电-力三场耦合数值模拟,计算不同参数下裂纹区域的电场、温度场和应力场分布。使用“生死单元”法模拟止裂熔孔的产生,并获得了不同几何、物理参数下止裂熔孔尺寸变化的规律。结果表明：焦耳热形成的止裂熔孔降低裂尖的集中应力,抑制裂纹扩展,裂纹区域高温区与基体常温区形成温度梯度相互约束产生巨大的热压应力促使裂纹宽度减小,进而直至愈合;初始熔孔尺寸与裂纹长度成正比、与板厚成反比,最佳尺寸直径为0.1mm以内;电流值和电流加载时间均能控制熔孔生长,电流值一定时,当时间达到0.12s形成的熔孔尺寸超出最佳止裂尺寸范围。研究成果为特定金属材料的裂纹止裂与愈合提供了机理参考和仿真方法。     

无限大薄板椭圆孔口裂纹前缘应力研究

带裂纹含孔口构件的研究一直是断裂力学与岩石力学等学科的重要课题.基于复变函数方法,利用保角变换将无限大多连域映射为单位圆,将问题的边界条件使用柯西积分简化.由于孔口是薄板应力变化剧烈的区域,在考虑孔口应力时,应用椭圆孔口分析结果探讨裂纹应力分布.以裂纹尖端点为新的极坐标原点建立坐标系,对裂纹前缘应力场计算公式进行了推导,得到了计算裂纹前缘应力场的二级渐进公式.研究中发现,原有一级渐进公式与精确解的相对误差较大,而本文推导出的二级渐进公式与精确解的相对误差较小.     

复合材料Ⅰ+Ⅱ混合型周期平行裂纹尖端场

研究了裂纹面内均匀载荷作用下的正交各向异性复合材料板周期平行裂纹尖端场问题。利用复变函数方法,将力学问题化为偏微分方程边值问题。根据叠加原理,将偏微分方程边值问题化为Ⅰ型和Ⅱ型两个边值问题求解。在复数域内,利用双曲函数的周期性,通过构造适当的Westergaard应力函数,将周期平行裂纹尖端场问题化为单一裂纹尖端场问题。得到混合型周期平行裂纹尖端附近的应力强度因子和应力场的解析表达式。由于平行裂纹的周期性分布,应力强度因子的大小取决于形状因子。所得结果表明,当裂纹间距趋于无穷大时,应力强度因子退化为含单个中心裂纹时的结果,并且所得到的解析解更好的体现了平行裂纹分布的周期性。研究结果为结构和材料的强度设计提供了有意义的参考。     

用云纹干涉法实测复合材料应力强度因子的实验研究

采用实时观测云纹干涉法 ,测试并研究了正交异性Ⅰ型裂纹的应力强度因子。用三维云纹干涉仪和数字图像采集技术获得了清晰的反映试件裂尖附近全场位移的云纹图 ,进而推算出应力强度因子。并对贴片云纹干涉法和实时观测云纹干涉法进行比较。