改进键型近场动力学方法下的多裂纹板破坏分析

在键型近场动力学理论框架下,通过在常规微弹脆性本构模型中引入表征非局部长程作用力强度尺寸效应的核函数修正项,构建了可部分消除泊松比限制的含裂纹双参数微弹脆性近场动力学本构模型。通过对含双裂纹脆性板的单轴拉伸破坏模拟并将所得结果与已有文献结果进行对比,验证了本构模型和算法的可靠性。在此基础上,通过数值模拟不同形态的多裂纹脆性板的裂纹扩展过程以及定量分析不同初始裂纹形态下的临界破坏荷载数值,给出了初始裂纹数量、位置和方向对结构破坏型式、扩展路径和承载能力的影响规律。     

基于近场动力学的二维疲劳裂纹扩展模型

为模拟二维疲劳裂纹的扩展,建立了一种基于普通态基近场动力学的疲劳裂纹扩展模型.首先,在普通态基近场动力学模型的基础上,利用动态松弛算法得到最大循环载荷下键的应变值,并通过计算物质点的平均键应变值确定裂纹尖端位置及损伤区域.然后,在模拟过程中设置循环断键数,当损伤区域内的断键数达到循环断键数时,更新键的应变值并进行下一轮运算.最后,分别通过模拟紧凑拉伸试样和中心斜裂纹板的疲劳裂纹扩展来验证模型的有效性.结果表明,设置合适的循环断键数后,模型计算效率得到提高,且能获得精细的裂纹扩展路径和准确的裂纹扩展速率,所得裂纹扩展路径及a-N曲线均与试验结果一致.     

复合材料双悬臂梁试验Ⅰ型分层扩展的三维近场动力学模拟

近场动力学(peridynamics,PD)模拟复合材料分层损伤,相较于传统的数值方法有一定优势。双悬臂梁试验(double cantilever beam,DCB)是测量复合材料Ⅰ型层间断裂韧性GIC的标准试验。本文研究了复合材料双悬臂梁试验Ⅰ型分层扩展过程的三维近场动力学模拟。计算模型选用了球型域的常规态近场动力学复合材料模型,并引入了基于能量的失效判定准则。结果表明,近场动力学模拟的载荷-位移曲线与试验结果吻合得很好,并且模拟结果能够捕捉到DCB试验的"指甲盖形"分层前缘。在此基础上,进一步比较了Ⅰ型分层扩展过程的近场动力学模拟结果与试验结果,验证了本文采用的复合材料近场动力学模型计算Ⅰ型分层扩展的有效性。     

复合材料双悬臂梁试验I型分层扩展的三维近场动力学模拟

近场动力学(peridynamics,PD)模拟复合材料分层损伤,相较于传统的数值方法有一定优势。双悬臂梁试验(double cantilever beam,DCB)是测量复合材料Ⅰ型层间断裂韧性GIC的标准试验。本文研究了复合材料双悬臂梁试验Ⅰ型分层扩展过程的三维近场动力学模拟。计算模型选用了球型域的常规态近场动力学复合材料模型,并引入了基于能量的失效判定准则。结果表明,近场动力学模拟的载荷-位移曲线与试验结果吻合得很好,并且模拟结果能够捕捉到DCB试验的"指甲盖形"分层前缘。在此基础上,进一步比较了Ⅰ型分层扩展过程的近场动力学模拟结果与试验结果,验证了本文采用的复合材料近场动力学模型计算Ⅰ型分层扩展的有效性。     

含垂直穿透裂纹板拉伸断裂的有限元模拟

对含垂直穿透裂纹板受拉伸载荷作用的断裂过程进行了数值模拟.选用增量型弹塑性本构关系,采用有限元方法求解虚功原理方程.首先对弹塑性杆的动态响应进行了数值计算.参照LS_DYNA中处理断裂问题的单元失效方法,对受拉伸载荷作用的垂直穿透裂纹板断裂过程进行了计算.结果表明:一维杆的弹性波和塑性波的计算结果和解析解相符,说明了该方法和计算程序计算结构动态响应的可靠性.受冲击拉伸载荷作用,应力波在板中传播并在裂纹表面反射后出现畸变,裂纹尖点出现应力集中,裂纹沿初始方向扩展,当裂纹扩展长度为初始长度2倍时,裂纹在板边界处出现分叉,裂纹扩展过程和理论分析结果相符.     

弹丸侵彻混凝土靶板破坏过程的近场动力学模拟

为了精确描述弹丸侵彻混凝土靶板的破坏过程及其演化规律,文中采用基于非局部相互作用思想与空间积分方程建模的键型近场动力学(peridynamics,PD)方法,改进了近场动力学本构力核函数,对弹丸侵彻下混凝土靶板的动态破坏过程进行仿真分析。模拟了弹丸侵彻下混凝土靶板破坏的全过程,探讨了不同冲击速度下混凝土靶板的破坏特征,较好地描述了其损伤累积和渐进破坏过程。     

含预制分层的帽型加筋单元在四点弯曲载荷下的损伤扩展

复合材料加筋结构在制造过程中往往会存在初始分层损伤从而降低了结构的承载能力。利用ABAQUS分析平台建立含预制分层的帽型加筋结构有限元模型,选用虚拟裂纹闭合技术中的B-K分层扩展判据模拟含预制分层的帽型加筋结构在四点弯载荷作用下结构裂纹的起始和扩展情况,对比试验发现结果拟合良好。详细分析分层的位置,形状以及面积对加筋板损伤起始的影响,比较各型能量释放率对裂纹扩展影响。结果表明：预制分层位于界面中部时结构的承载能力最大;分层面积增大时结构的承载能力整体呈下降趋势,分层面积在一定范围变化时对结构的承载能力影响不大,但当分层面积大于一定值时,结构的承载能力急剧下降;剪切应变能释放率对裂纹扩展的贡献比较大。     

正交各向异性板Ⅲ型裂纹问题的F2LFEM求解

应用二级分形有限元法(F2LFEM),将裂纹结构的区域用人工边界Γ划分为D和Ω两部分.区域D是围绕产生应力奇异性的裂纹尖端邻域,在区域D内采用二级分形有限元(或称相似有限元)求解.除D以外的区域为Ω,在区域Ω内,采用传统有限元方法求解.首先用比拟方法推导了正交各向异性板Ⅲ型裂纹问题的William′s一般解,将它作为分形有限元的整体插值函数,应用F2LFEM分别求解了正交各向异性板含单边裂纹、对称双边裂纹以及中心裂纹情形下的Ⅲ型应力强度因子.分析表明:将F2LFEM推广应用于求解正交各向异性板Ⅲ型裂纹的应力强度因子是很有效的,而且具有很高的计算精度.     

横观各向同性双压电板Ⅲ型界面裂纹力学分析

研究含界面裂纹的横观各向同性双压电材料板在反平面剪切载荷和平面内电位移共同作用下的裂纹尖端场问题。利用复变函数方法,引入含待定实系数的应力函数,借助边界条件和待定系数法,建立非齐次线性方程组。求解得到满足控制方程和边界条件的应力函数,推导得到双压电材料板Ⅲ型界面裂纹尖端的应力场、电位移场和应力强度因子、电位移强度因子的表达式。     

拉应力作用下含缺陷埋地管道应变与裂纹扩展行为分析

采用数值模拟和宽板拉伸实验相结合的方法,研究单点缺陷与双点缺陷对含螺旋焊缝缺陷管道应力应变及裂纹扩展行为. 基于管材的力学性能和标准等确定缺陷尺寸位置参数,利用ABAQUS建立含不同参数缺陷的宽板及全尺寸管道模型分析拉外力下的应力分布特点,研究不同缺陷长度与深度对管道焊缝处裂纹萌生的规律;设计3组含焊缝处缺陷管道宽板拉伸实验,研究管道应变与裂纹扩展情况. 结果表明：拉应力下管道宽板模型具有可靠性;随着缺陷尺寸的增大,相对长度为0.79、相对深度为45.98的缺陷对裂纹萌生影响最大. 对比宽板试验发现,宽板焊缝上、下侧截面点位的应力应变在轴向拉力作用下,均呈现出先缓慢增加后快速上升的趋势,且相对单点缺陷,双点缺陷的相互作用对裂纹的萌生和扩展产生较大影响.     

多裂隙体的稳定热断裂(张开型)问题

为了讨论大体积混凝土结构中大多数由温度变化引起的裂缝的稳定性，给出了无限平板中作用有稳定点热源的位移场、应力场基本解，构造出以边界虚拟力为基本未知量求解混合边界多裂隙体热断裂问题的基本方程。数值计算表明该方法求解多裂隙体热断裂问题精度高，计算工作量少。对含边界裂缝的平板、含三条平行裂缝的平板和含有三条三角形分布的裂缝的平板在稳定温度荷载作用下进行了实验和计算互校，两者结果吻合良好。     

有限元与离散元混合法在裂纹扩展中的应用

基于有限元与离散元混合方法研究裂纹扩展模拟问题。对含原生裂纹的结构进行单元离散,用有限元计算单元内部,采用离散元计算单元界面,通过单元连接形式的转变实现连续到非连续的转化;采用平面半弹簧法进行接触判断,通过显示迭代求解运动方程,不断更新单元坐标,实现裂纹扩展的数值模拟。以单裂纹与雁形裂纹在单向位移载荷作用下的扩展为例,对比数模结果与试验结果。结果表明:采用有限元与离散元混合方法可有效模拟单、多裂纹的扩展过程;岩桥为90°的雁形裂纹受对向挤压载荷作用发生翼裂-翼裂贯通。     

基于比例边界有限元法的Lamb波在板中传播的模拟分析

基于比例边界有限元法对Lamb波在板中遇到多裂纹、内置竖向和横向裂纹以及凹陷时的传播行为进行模拟,在入射波模态为S_0和A_0这2种情况下,改变内置裂纹的开裂角与深度、凹陷的弧度,对反射波的模态振幅进行分析。研究表明,在同一薄板上,不同的裂纹形态对于波形的增幅有所不同。反射波的模态振幅随着裂纹深度与开裂角的增大基本呈增大趋势,Lamb波的激发模态为A_0时,随着板中内置裂纹开裂角的增大,反射波模态振幅的增大效果与激发模态为S_0时相比更为明显。当激发的入射波模态为S_0时,反射波中的模态振幅随着板上凹陷的减缓,减小幅度更大。     

基于扩展二相杂交应力有限元法的两相材料界面裂纹断裂力学分析

实际应用过程中,由于复合材料界面两侧各相材料性能各异以及制造过程中存在的缺陷,在外载荷的作用下,界面处产生大量初始微裂纹进而扩展相交形成宏观裂纹最后扩展贯通导致结构失效。因此,对于界面裂纹的分析研究对优化复合材料,提高其应用性能及可靠性是十分重要的。提出了一种扩展二相杂交应力有限元法,通过构建包含边界裂纹、水平中心裂纹以及倾斜裂纹的两相材料的扩展二相杂交应力有限元单元模型对界面裂纹进行断裂力学分析。应用Lagrange乘子法将各个界面裂纹面面力为零边界条件和未断裂界面的面力连续条件引入修正余能泛函中,在每一相材料域内假设高阶多项式应力函数,充分考虑界面形状的影响,构建互作用应力函数,引入双材料界面裂纹裂尖附近奇异应力场函数。基于Fortran程序求解后得到单元应力场,采用最小二乘法计算了界面裂纹的应力强度因子。通过该方法得到的数值模拟结果和传统有限元分析的数值结果进行比较,验证该方法的有效性和准确性。     

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。     

多裂纹相互作用下断裂行为的边界元分析

基于边界元法,数值计算含多裂纹有限板在拉伸载荷下的断裂参数。利用裂纹面边界单元节点的张开位移,并结合线性拟合外推的方法计算应力强度因子。综合考虑计算精度和计算效率,讨论并选定合适的边界单元划分密度和类型。按照最大周向应力准则,通过断裂参数等效应力强度因子和扩展方向,分析裂纹I和II型复合断裂行为。裂纹间的相互作用会抑制或增强断裂行为,通过多个算例考查多裂纹的角度、长度、分布位置和间距等因素对抑制和增强作用的影响。     

超高强度钢平板表面裂纹在载荷循环中应力-应变场有限元分析

采用有限元程序分析了平板表面裂纹在循环载荷作用下的应力 应变场的变化情况,找出了气瓶裂纹承受各种不同过载条件时力学量的改变规律,从而验证了试验研究工作的结果·     

一种模拟岩体裂纹扩展的三角单元网格开裂技术

基于三角网格的几何特征,提出一种利用有限元方法模拟岩体裂纹扩展的三角单元网格开裂技术。该方法选取三角网格进行单元离散,采用远场围线积分计算裂尖应力强度因子,由最大周向应力准则确定裂纹扩展方向,最后通过开裂单元的网格分裂或节点移动,实现裂纹扩展的数值模拟。以有限宽中心裂纹板、曲线翼型裂纹扩展和含孔洞多裂隙岩体的裂纹扩展为例进行模拟验证。结果表明:在该方法中,裂纹可以直接劈开一个单元,或沿单元边界扩展,因此裂纹能够不受初始网格的限制沿任意路径扩展;与现有的网格重构算法相比,该方法只须对裂尖局部单元进行网格开裂或节点移动,更加简便、高效,该方法还具有较好的适用性,能够准确模拟拉伸、压剪等复杂应力状态下的裂纹萌生和扩展。     

薄板压铸件充型过程流场的数值模拟

压铸充型的流场数值模拟作为压铸模ＣＡＤ的一项重要内容，成为压铸行业科研的前沿课题。本课题以ＳＯＬＡ—ＶＯＦ方法求解不可压缩的粘性流体，开发了压铸二维流场的数值模拟程序。可以用它来模拟复杂薄板压铸件的充型过程。在边界条件处理时提出考虑边界能量损失的修正方法和自由表面压力边界条件简化处理方法。该程序可用来预测由于流动方式不合理产生的冷隔、裂纹、气孔等压铸件主要缺陷。适用于形状复杂的板状压铸件及某些三维薄壁压铸件。实际分析验证表明，运算结果与实测结果一致。     

土压力作用下深井式地下停车库衬砌变形分析

建设深井式地下停车库成为缓解停车难这一问题的有力措施.停车库衬砌变形过大会产生裂缝,影响车库的抗渗性能,研究衬砌的变形规律,并控制其变形具有重要意义.依据假定条件,将侧向衬砌板简化成三边固定,一边自由的矩形薄板,将地下结构空间问题转化为弹性力学平面问题,从而大大简化计算量.使用差分法和有限元法分别推导薄板在均布荷载和三角荷载作用下的位移数值解,并与文献理论解对比.结果表明,均布荷载作用时,在板中部附近隆起,而三角荷载作用时,在板自由边跨中隆起.相对于有限元解,差分解与文献理论解更为接近,表明了计算方法的可行性.利用差分法,分别计算薄板在静止土压力、主动土压力、被动土压力作用下的位移解,为工程设计提供参考.