近场动力学理论在脆性材料波散射与裂纹扩展问题的数值模拟

近场动力学(Peridynamic,PD)理论是一个物质点具有通用积分运动方程的连续介质理论,其非局部思想能够很好的处理和解决传统连续介质力学在裂纹尖端解的奇异性问题,也弥补了有限元法(FEM)在断裂问题上网格重构的缺陷,在研究材料的断裂与损伤方面有着独特的优势。基于固体力学和断裂力学理论在应力波传播的研究基础上,通过对比传统波动理论和PD理论中P波的传递速度、传递半径及受载出现的波反射和绕射现象,提出近场力波的概念,从本质上分析了近场力波与应力波传递的区别。用PD理论对含预制缺陷的脆性材料(混凝土)动态断裂过程进行数值模拟,通过分析C15混凝土受冲击载荷断裂过程的能量释放速率得出近场力波的传递会对裂纹的萌生和扩展产生影响。     

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。     

混凝土细观破坏过程的近场动力学模拟

近场动力学(Peridynamic,PD)是一种基于非局部作用思想的理论,解决不连续问题时具有独特优势.首先概述了常规态型PD基本理论(Ordinary State-Based PD,OSB PD),采用了一种新的圆形骨料投放方法,有效地提高了混凝土骨料的投放率,建立了适用于混凝土细观破坏的常规态型PD计算模型.对混凝土结构的细观破坏过程进行了模拟,数值模拟结果与理论解吻合较好,进而分析了混凝土结构细观破坏机理.     

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。     

近场动力学与有限元混合模型研究

兼顾近场动力学(peridynamics,PD)模拟不连续问题的优势和有限单元法(finite element method,FEM)较高的计算效率,采用近场动力学与有限元混合建模方法,建立了新的混合模型.该模型在裂纹出现区域,采用近场动力学建模,其他区域采用八结点等参元建模.通过杆单元连接PD物质点与等参单元结点,将PD物质点对间相互作用视为杆单元,最后对单元刚度集成,实现了在有限元框架体系中两种方法的混合建模.该混合模型无需引入人工阻尼,提高了计算效率.此外,相较于四结点混合模型,采用高阶(八结点)等参元与近场动力学方法建立的混合模型具有更高的计算精度.通过数值算例验证了该方法的有效性,为断裂破坏问题的解决提供了一种新思路.     

近场动力学理论在钢筋混凝土结构破坏的研究

近场动力学理论(Peridynamic,PD)用键描述了材料内部的相互作用关系,可分析材料破坏过程中的裂纹扩展。针对由异种材料组成的复合材料-钢筋混凝土构建了其力学模型,提出了同种键和异种键,并修正了键的微模量常数、断裂准则等。通过对钢筋混凝土梁的四点弯曲试验进行数值求解,结果表明该力学模型是可行的。     

脆性材料复合裂纹断裂判据研究

研究了混凝土等拉压强度不等的脆性材料在平面应力和平面应变情况下裂纹附近的塑性区的范围，并给出了相应的表达式；运用在一定外力作用下物体内等效应力作为断裂判据，推测含复合裂纹的脆性材料的裂纹扩展时的临界条件相扩展方向，计算了试件在6个不同裂纹角时断裂角的大小，其结果与最大周向正应力理论判据、最小应变能密度理论判据及实验结果比较，说明用最小等效应力作为含复合裂纹的脆性材料的裂纹断裂判据是可行的．     

一种脆性材料断料方法的理论研究

从“防止裂纹之害”到“利用裂纹之利”,裂纹力学与金属切割交叉结合形成了一门新技术——应力下料.而它的首要任务就是设计低应力脆断敏感的应力状态,使材料易于脆断.通过对脆性材料在不同外载荷作用下破坏时断口裂纹扩展形势的分析与比较,找出了合理的脆性棒料的应力状态及预荷方式的类型,确定了脆性材料的裂纹破坏模式为拉剪破坏.并提出使脆性棒料处于低应力脆断敏感状态的一种理论方法——轴向拉伸法,形成轴向拉伸及径向断料的复合下料方式.     

脆性基体复合材料层板弯曲破坏的数值模拟

讨论了复合材料层板的弯曲破坏问题，纤维层是正交异性弹性体，而基体为脆性损伤材料。提出了一种脆性损伤模型，虽是各向同性连续损伤模型，但利用等效损伤应变的定义，可以区分拉、压和剪切对损伤的不同响应，用有限元法数值模拟了如下现象，一旦基体出理临界伤，弯曲载荷则从最大值急速下解，同时基体的临界损伤区很快扩展，并且发生局部纤维断裂，从而使复合材料层板几乎失去了承弯能力，整体呈脆性特性。为便于了解破坏过程，给     

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.     

爆破荷载作用下岩石破坏特性的“共轭键”基近场动力学数值模拟研究

近场动力学是一种基于非局部弹性理论的积分形式的无网格数值方法.本文为克服传统近场动力学模型中的固定泊松比问题,建立了"共轭键"基近场动力学模型,实现了岩石爆破破坏特性的近场动力学数值模拟.通过引入"共轭键"转动角度及建立微观和宏观变形能的等效关系,推导了"共轭键"基近场动力学模型中的法向刚度参数及切向刚度参数与宏观力学参数之间的关系.另外,通过对影响域中每根"键"所储存的能量密度与临界"键"能量密度进行对比,判断近场动力学模型中的"键"是否断裂,从而实现裂纹起裂、扩展及连接过程的数值模拟.三个数值算例说明:该模型能有效地模拟岩石爆破破坏特性.数值算例与试验结果对比表明,本文所提出的数值方法可以预测岩石材料的爆破破坏模式及特性.     

岩石三维裂纹扩展问题的近场动力学数值模拟

近场动力学（PD）方法基于键的形式处理断裂问题,对裂纹尖端可自动追踪,因而在求解三维裂纹扩展问题时具备极大的优势,但该方法中也存在数值震荡与边界误差等问题。为解决上述问题,首先应用无网格伽辽金弱形式框架对非常规态基近场动力学方法进行了探讨;随后引入近场动力学微分算子（PDDO）近似,并对比分析了该近似与重构核粒子（RKPM）近似间的差异,提出了具备更高数值精度的RKPM-PD耦合算法,并给出了该算法的隐式迭代流程。最后,通过若干数值算例验证了该算法在求解三维裂纹扩展问题上的有效性。     

基于键型近场动力学的含裂纹板损伤模拟

针对含圆切口板和含穿透裂纹板结构,采用传统有限元法分析裂纹尖端区域的应力场分布,采用键型近场动力学方法模拟分析在承受拉伸、剪切速度边界条件下板内张开型裂纹和滑开型裂纹的形成与扩展。研究结果表明,近场动力学数值模拟的裂纹在有限元分析所得的应力集中区域生成,并且在两种结构状态不同边界条件下都能捕捉到板内裂纹复杂的发展过程,而且在模拟过程中裂纹自然扩展,能准确反映宏观材料渐进破坏过程中的细微观结构变化过程。     

爆炸载荷作用下夹层玻璃动态响应的近场动力学数值模拟

为了研究透明夹层玻璃在爆炸载荷下自发的动态断裂行为,引入近场动力学(PD)模拟玻璃裂纹的萌生、扩展、分叉、贯通和止裂等动态响应。首先,通过落锤冲击实验和野外爆炸实验得到相关的参数和损伤模态;然后,通过使用键基PD对夹层玻璃进行数值模拟,玻璃零件采用三维不连续伽辽金算法,胶层采用黏接层有限元算法,采用接触算法实现两部分的耦合;最后,通过较大幅度地改变TNT炸药量、爆炸距离、PVB胶层厚度和内外层玻璃的厚度,系统研究夹层玻璃的裂纹扩展规律。仿真结果表明：1) PD可以很好地模拟夹层玻璃自发断裂失效和裂纹扩展行为;2)爆炸距离、炸药量和PVB胶层厚度对夹层玻璃结构的动态响应有着显著的影响;3)通过对不同药量炸药下外层玻璃向内凹陷的最大挠度的比较,发现PD方法与实验、单元删除法结果有很好的契合度,且PD方法的误差范围低于单元删除法;4) PD方法中外层玻璃的能量吸收率远远高于内层玻璃和PVB夹层,同时内外层玻璃厚度的分布对能量吸收率也存在很大的影响,PD方法与单元删除法结果有很高的一致性。     

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     

基于近场动力学的裂纹扩展及轨面剥离掉块成因机理

建立了态基近场动力学钢轨表面滚动接触疲劳裂纹扩展模型,研究钢轨疲劳裂纹的扩展以及由此引起的轨面剥离掉块形成过程。结果表明,轨面单裂纹或裂纹间距>1.5 mm情况下,随着通过总重的累积,裂纹扩展的路径逐渐转向钢轨内部,且扩展速率随着通过总重累积和裂纹长度的增加逐渐降低;轨面多裂纹情况下,通过总重增量低于8.8 Mt时,裂纹在荷载作用下主要发生沿长度方向扩展。通过总重增量超过8.8 Mt后,裂纹之间的次生损伤形成;而且,这种情况在轨面多条裂纹间距≤1.5 mm时较为显著,裂纹间距>1.5 mm时,裂纹间的相互影响减小;轨面多条裂纹同时存在且裂纹间距≤1.5 mm时,通过总重增量达到一定程度（>10.0 Mt）,裂纹间的次生损伤形成剥离掉块,剥离掉块深度约为裂纹深度的1/2以上。     

水力压裂多裂缝扩展的近场动力学模拟

为研究页岩水力压裂中多裂缝扩展规律,采用一种结合近场动力学和有限差分法的方法对水力压裂问题建立流固耦合模型。使用近场动力学建立单相固体平面应力问题模型,采用达西定律描述裂隙内流体和基质内流体的流动,对流动区域以损伤程度进行划分,并通过损伤值标定对应的渗透率,采用有限差分法求解得到渗流场压力分布,依据有效应力原理得到流固耦合模型。设计了不同间距的两条裂缝,交错的两条裂缝与三条裂缝同时扩展的模拟实验。结果表明,由于缝间干扰,两条裂缝扩展时会发生反向偏转,并且随着裂缝间距减小,偏转越明显;对于两条交错裂缝,随着裂缝扩展,会互相吸引;对于三条裂缝扩展的情况,中间裂缝的扩展会受到限制。可见需要适当增大水力裂缝间距,减小缝间干扰的影响。     

湿热环境下复合材料冲击损伤的近场动力学模拟

研究在湿热条件下复合材料的冲击损伤特征,是复合材料应用在舰船壳体的一个重要基础。现有的有限元方法在分析损伤及裂纹扩展问题中遇到了一定困难,需引入近场动力学(PD)理论,用于分析复合材料湿热冲击损伤。在复合材料近场动力学模型中,定义层内和层间共4种不同作用键;在本构方程中引入湿热伸长率项,改进键伸长率判定和键常数为湿热环境下的形式,建立了湿热环境下复合材料层合板PD模型。基于上述模型,模拟了不同湿热环境下复合材料层合板冲击损伤,并分析冲击速度对湿热处理复合材料层合板吸能性能的影响。结果表明:在冲击速度较低情况下,湿热因素对层合板冲击损伤影响较大;当温度与湿度共同作用时,层合板抵抗冲击能力更强。     

有限元技术在脆性材料切削加工中的应用

介绍了脆性材料塑性域切削加工的有限元应用现状，研究了脆性材料切削过程有限元分析的关键技术，井对有限元法在脆性材料切削加工中的应用作了研究与分析。