准脆性材料的细观损伤演化模型

针对以缺陷密度为参量的细观损伤演化模型的局限性 ,着重研究了微裂纹尺寸对损伤演化的影响。提出了含三相正交分布等尺寸微裂纹的准脆性材料稳定扩展的细观损伤演化模型。给出了微裂纹特征尺寸随应力变化的显式表达式 ,并由此得到了含微裂纹的准脆性材料损伤本构关系。通过实例 ,对初始含有相同密度、不同尺寸和数量的微裂纹的两种混凝土材料在单向拉伸载荷下的损伤演化进行了数值计算和比较。结果证实 :含大尺寸微裂纹的材料损伤发展较快 ,相应地 ,加载到同一应力水平时 ,具有较大的应变     

考虑摩擦的剪切损伤本构关系的力学分析

脆性和准脆性材料在外部载荷作用下,通常会表现出复杂的应力应变关系。其中,受压剪作用的裂纹是否摩擦滑动,对材料的剪切本构关系会产生很大的影响。之前在一些文献中提出过这种考虑裂纹摩擦效应的损伤本构模型,但只是理论假设,并没有进行过严格的证明。可以考虑一个受压剪作用的单元体,其中心含一条微裂纹,利用弹性力学理论中的复变函数方法可以给出单元体边界及裂纹所在平面处的位移场,通过某种平均化的方法,可得到单元体基体平均剪应变的一种形式,而这种形式与单元体边界及裂纹的几何尺寸有关,进一步可定义与这些几何尺寸相关的剪切损伤变量,将基体平均剪应变代入到弹性剪切本构关系中,可得到考虑摩擦效应的脆性和准脆性材料弹性剪切损伤本构关系。这种方法利用了现有的弹性力学理论,所以得到的结论是可靠的。     

剪切损伤细观机理的弹性力学分析

损伤力学以含微观缺陷的材料为研究对象,分析微裂纹或微孔洞对材料宏观力学性能的影响以及损伤的演化过程。在连续损伤力学理论中,许多学者采用引入损伤变量到材料的本构方程中的办法,来反映材料的不可逆变化过程,这种方法在工程应用中具有简单实用的优点,但损伤变量的物理意义不是特别清晰,难以深入到损伤过程的物理学与力学本质。在弹性力学理论中利用复变函数方法能求出材料的位移场,在此基础上,可分析平面应力条件下含一条微裂纹的单元体边界处和裂纹面上的位移场,通过平均化的方法,得到单元体的平均剪应变,进一步分析这种剪应变与单元体中裂纹的几何尺寸之间的关系,再利用弹性剪切本构关系,就可得到脆性和准脆性材料弹性剪切损伤的细观描述。这种方法还可适用于弹性拉伸损伤的细观机理的研究,对进一步建立含有随机裂纹材料的宏细观相结合的损伤理论是很有意义的。     

混凝土的细观损伤理论及其数值模拟

本文建立了拉伸荷载作用下混凝土的二维细观损伤的本构理论，采用有效场方法考虑混凝土的裂纹相互作用，分析了混凝土随外加应力场的损伤演化过程，求出了损伤柔度张量的表达式，在此基础上对混凝土的细观损伤特性进行了数值模拟．由于微裂纹的扩展和裂纹之间的相互作用，混凝土的柔度表现为非对称的和各向异性的。数值分析表明，本文模型的计算结果介于Ｔａｙｌｏｒ方法和自恰方法之间，与实验结果具有较好的一致性，尤其是当裂纹密度较大时，本文的结果能更好地模拟实验结果。因此，当裂纹密度较大时，必须考虑裂纹的相互作用。     

拉伸损伤细观机理的弹性力学分析

损伤力学有2个主要分支：连续损伤力学和细观损伤力学.在连续损伤力学理论中,许多学者采用引入损伤变量到材料的本构方程中的办法,来反映材料的不可逆变化过程,这种方法在工程应用中具有简单实用的优点,但损伤变量的物理意义不是特别清晰,而且难以找到拉伸损伤变量和剪切损伤变量之间的联系,往往是只能建立两者各自独立的损伤演化方程.在弹性力学理论中利用复变函数方法能求出材料在给定的受力状态下的位移场,在此基础上,可分析平面应力条件下含一条微裂纹的单元体边界处和裂纹面上的位移场,通过平均化的方法,得到单元体的平均线应变,进一步分析这种线应变与单元体中裂纹的几何尺寸之间的关系,再利用弹性拉伸本构关系,就可得到脆性和准脆性材料弹性拉伸损伤的细观描述.这种方法已经分析了弹性剪切损伤的细观机理,对进一步建立含有随机裂纹材料的宏细观相结合的损伤理论是很有意义的.     

SiC单晶线锯切片微裂纹损伤深度的有限元分析

为了实现对碳化硅单晶(SiC)线锯切片亚表面微裂纹损伤深度快速计算与非破坏性分析,基于SiC单晶锯切加工脆性模式的材料去除机理,选择材料脆性开裂本构模型,建立了SiC单晶线锯切片微裂纹损伤深度计算有限元模型。模型通过定义开裂状态量的输出,控制晶片表面单元失效与删除,将晶片上计算点区域内未失效单元节点到晶片表面最大距离提取为微裂纹损伤深度,实现了微裂纹损伤深度的仿真计算。研究了锯切过程的最大主应力与应力变化率的变化规律,仿真计算了切片微裂纹损伤深度,结果表明:锯切过程中距切点越近,最大主应力值与应力变化率越大;当工件进给速度一定时,锯丝速度提高,SiC晶片的微裂纹损伤深度降低;有限元模型的仿真计算值均小于实验测量值,结果变化趋势较一致,其相对误差范围为10%~15.92%。建立的有限元模型可以较准确地预测计算SiC单晶线锯切片微裂纹损伤深度。     

压剪耦合损伤演化方程在混凝土本构模型中的应用

将等效微孔洞体系的概念与有核长大模型的思想相结合,根据有关物理关系通过严格的数学推导,提出了一种脆性材料的压剪耦合损伤演化方程.将该演化方程应用于混凝土脆弹性损伤软化本构模型之中,通过对混凝土一维应力条件下的实验应力应变曲线的优化数值模拟确定了损伤演化方程中的材料参数.研究结果表明,应用含损伤的本构关系和该压剪耦合损伤演化方程能得到损伤随时间变化的曲线,该曲线与采用CT技术观测的混凝土内部微孔洞扩展图像和结果有较好的一致性.所提出的损伤演化方程揭示了脆性材料压剪耦合损伤发展的宏细观机制,为更好地分析计算混凝土的高速贯穿等问题奠定了基础.     

强冲击载荷下氧化铝陶瓷的力学特性及本构模型

研究氧化铝陶瓷在强冲击加载下的力学响应和动态本构模型. 利用一级轻气炮对陶瓷靶板进行冲击加载,测量得到靶板内的应力-时间曲线,并分析得到氧化铝陶瓷的动力学特性. 结合陶瓷材料破坏特性分析,从脆性材料内翼型裂纹的产生和扩展机理出发,建立了微裂纹损伤本构模型,其中损伤参数通过微裂纹尺寸和微裂纹数2个变量进行描述. 实验与计算结果表明,该模型较好地描述了强冲击载荷下氧化铝陶瓷的力学行为.     

强冲击荷载作用下混凝土材料动态力学特性及本构模型

基于连续损伤力学理论、统计细观理论和Perzyna黏塑性本构方程, 构造了一个塑性与损伤相耦合的本构模型来描述混凝土材料在强冲击载荷作用下的应力-应变响应特性. 在该模型中假设: 1) 宏观上混凝土材料是一个均匀连续体, 而从细观分析其内部则包含了大量随机分布的微裂纹和微空洞等损伤缺陷; 2) 混凝土材料的损伤演化是由其内部拉伸应力作用下微裂纹扩展的累积而引起的, 导致了材料强度和刚度的弱化; 3) 随着微空洞的塌陷, 混凝土材料内部产生了不可恢复的塑性变形, 体积模量也相应增加, 将这一过程看作是微空洞损伤的演化发展; 4) 微裂纹和微空洞损伤之间不发生相互作用; 5) 当裂纹扩展累积到一定程度时, 混凝土材料发生粉碎性破坏. 利用实验结果确定模型所需参数, 并将利用该模型得到的模拟曲线与实验测试曲线进行比较, 结果表明两者较一致.     

受弯复合材料梁损伤演变的理论模型与实验

基于连续介质损伤力学理论，研究了受弯复合材料梁的损伤演变问题．提出了考虑拉压响应的弹脆性损伤演变的理论模型与本构方程．在方程推导中，假设材料及其损伤都是正交异性的，且材料主轴与损伤主轴一致．     

基于应变状态的岩石损伤演化模型

针对基于几何特征统计的损伤张量难以描述由局部应力集中或局部变形不协调引起的损伤局部化现象问题,建立了基于材料应变状态的损伤张量,并根据弹脆性本构关系和相应的屈服准则推导损伤演化方程,研究脆性岩石材料的损伤效应.实例计算表明,基于材料应变状态建立的损伤模型有更快的损伤演化速度,更能反映脆性岩石的性质.     

基于损伤理论的硬脆性泥页岩井壁稳定分析

硬脆性泥页岩地层的失稳破坏机理是非常规油气开发工作者的重点研究对象之一。从硬脆性泥页岩微裂缝的角度出发,将微裂缝视为硬脆性泥页岩的损伤,通过随机函数确定微裂缝的分布,将损伤力学和断裂力学相结合建立了硬脆性泥页岩的损伤本构模型。利用FLAC3D软件将硬脆性泥页岩的损伤破坏模型应用到井壁稳定分析中,并通过计算结果分析了钻井液、微裂缝形态等在硬脆性泥页岩破坏中占有的比重。计算结果显示,硬脆性泥页岩对钻井液的敏感度以及硬脆性泥页岩微裂缝的发育程度对井壁稳定影响最大,硬脆性泥页岩微裂缝的方向对井壁稳定影响很小。因此,钻井液的封堵性和密度是确保硬脆性泥页岩稳定的重要手段,控制钻井方向对维持硬脆性泥页岩稳定的作用有限。     

岩石类介质的弹塑性损伤本构模型

从岩石介质损伤的物理实质出发，探讨并建立理想脆性岩石介质的弹性损伤本构模型，进而建立了岩石介质更为一般的弹塑性损伤本构模型。利用本文所建立的本构模型，结合数值计算方法，可较方便地分析有关工程实际问题。     

压缩荷载作用下脆性岩石弹塑性损伤耦合本构模型研究

在压应力作用下,岩石的塑性变形和损伤演化是相互耦合的。在热动力学基本框架下,建立了一个用于描述在压缩荷载作用下脆性岩石非线性力学行为的弹塑性损伤耦合模型。模型采用基于Drucker-Prager线性屈服准则,并同时考虑损伤软化效应的函数作为加载函数。此外,为反映岩石在压应力作用下体积变形从压缩到膨胀的转化过程,引入非关联的塑性流动方程。基于已有的损伤理论,建立含有塑性剪切应变的损伤准则。通过联立屈服准则和损伤准则的一致性条件,建立塑性和损伤发展的耦合关系。运用建立的模型对不同围压下大岗山辉绿岩的常规三轴压缩试验进行模拟。模拟结果和试验数据具有较好的一致性,表明了模型的合理性和有效性。     

脆性煤岩损伤模型及冲击地压损伤能量指数

根据脆性煤岩的试验研究结果，采用损伤力学的原理和方法，建立了脆性煤岩的损伤本构模型，对脆性煤岩的损伤力学特性进行了研究。在此基础上，从煤岩损伤力学角度出发，研究了煤岩内部能量转化机制，导出了脆性煤岩损伤能量释放率，分析了煤层发生冲击地压过程中的能量变化，并提出了冲击地压的损伤能量指数这一新的概念，确定了冲击地压发生的必要条件。     

弹性-脆性-损伤模型及其在岩石局部破坏研究中的应用

在弹性-脆性-损伤本构模型中,采用了由线性的莫尔-库仑剪切屈服函数和非线性的虎克-布朗屈服函数复合后的屈服函数,以适应高压应力条件下岩石变形及破坏规律的研究.为了考虑脆性岩石在应力突然跌落过程中的弹性模量的变化,引入了一个损伤因子,以描述损伤的程度.此外,还考虑了围压对弹性模量的增强作用.对平面应变压缩条件下的矩形岩样的破坏过程进行了计算,并与接近脆性的带拉伸截断的应变软化莫尔-库仑模型的结果进行了对比,发现了它们之间的差异.又对静水压力条件下的平面应变模型开挖圆形巷道之后的破坏区、轻微的剪切及拉伸岩爆区和体积模量的分布进行了计算.研究发现,当考虑围压对弹性模量的影响后,体积模量的高值区位于V形坑的尖端,而V形坑内部的损伤程度随着损伤因子的增加而增加.如果不考虑围压对弹性模量的影响,V形坑尺寸大、较钝.研究结果表明,不同岩石脆性破坏过程中的损伤程度及围压对弹性模量的影响程度不相同是导致V形坑形态差别的原因之一.     

单轴压缩下煤体声发射特征及损伤演化过程分析

声发射是煤等脆性材料破坏过程中经常伴随的现象,是脆性材料因外力受损在其内部以弹性波快速释放出来的应变能,因应力分布不均匀所导致的由不稳定高能态向稳定的低能态过渡时产生的松弛过程,其活动性反映了煤微观破坏的活动性.通过声发射振铃计数率和能量计数率的特征研究了煤岩在各阶段的损伤演化过程,确定了煤损伤各个阶段的损伤临界值.