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。     

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。     

湿热环境下复合材料层板压缩性能研究

采用压缩试验方法研究了湿热环境对机织碳纤维环氧复合材料压缩性能的影响。对干态、湿态复合材料层板进行了不同温度下的压缩试验。分析了该复合材料的吸湿特性、不同湿热环境下的压缩性能及破坏模式。吸湿试验结果表明:机织碳纤维环氧复合材料的平衡吸湿率在0.88%左右。吸湿后试样表面变的较为光滑,存在一些树脂破坏,有少量纤维拔出;并发生了界面破坏。压缩试验结果表明:湿热环境对该复合材料压缩性能的影响较为显著,湿热会降低由基体性能主导的压缩强度,130℃下湿态试样的压缩强度保持率约为65%。纤维与基体的结合强度对压缩破坏模式有重要的影响,湿热条件下由于纤维与基体的结合强度降低,侧面断口出现分层破坏现象。     

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。     

基于近场动力学的岩石不同应力路径损伤演化

加卸载效应普遍存在于各类岩土工程中,为研究岩体在不同应力路径下加卸载的力学响应和损伤演化规律,通过在传统键型近场动力学本构模型中引入键的损伤变量函数,以反映岩石材料应力应变曲线中先应变硬化再应变软化的非线性阶段,采用改进键型近场动力学模型数值模拟与室内细砂岩加卸载试验对照的方法研究了细砂岩在不同加卸载路径下的力学、损伤演化规律。结果表明：改进的键型近场动力学本构模型能够较好地模拟岩石材料先应变硬化再应变软化力学性质和在不同应力路径下的力学响应及损伤发展趋势;在常规三轴路径下,岩石的抗压强度与围压呈较严格的正相关变化;定义的损伤值可直观的对比出不同加卸载路径与常规三轴压缩下岩石的损伤发展情况,相对常规三轴压缩,卸荷路径加快了岩石材料的破坏,且升轴压破坏程度>恒轴压破坏程度>卸轴压破坏程度。     

复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤研究

通过三维动力学有限元建立了复合材料蜂窝夹芯板在低速冲击作用下的渐进损伤分析模型。该模型中将蜂窝夹芯等效为均匀的正交各项异性材料。采用基于应变的Hashin三维失效准则和Yeh分层失效准则对面板损伤进行判断。使用部分刚度折减对损伤材料性能进行退化。利用用户子程序将损伤判据和刚度折减方案引入到ABAQUS软件中。模拟了复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤渐进过程,并与试验结果进行验证。证明了该方法的合理性,最后讨论了各种参数对冲击响应和冲击损伤的影响。     

复合材料层合结构冲击损伤研究进展(Ⅰ)

简要介绍了近年来复合材料层合结构冲击损伤破坏及冲击后力学性能的实验研究状况，论述了冲击条件下各种损伤破坏模式的检测方法。     

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。     

高性能航空复合材料低速冲击损伤分析

针对复合材料层合板冲击损伤模拟问题,基于各向异性材料连续介质损伤力学分析法,采用基于应变描述的失效判据来判断损伤,引入材料损伤状态变量对复合材料损伤情况进行描述;并考虑材料的剪切非线性,建立了复合材料层合板在低速冲击作用下的3D非线性连续损伤有限元模型。通过编写VUMAT材料用户子程序可以实现层内各类损伤的判断和演化。使用界面单元模拟层间区域,结合传统的应力失效判据和断裂力学中的能量释放率准则来判断分层损伤的起始和演化规律。为了更准确模拟试验中层合板的动态响应,有限元模型较为真实地反映了实际的试验条件。有限元模拟结果与试验结果吻合较好,证明了基于该方法建立的有限元模型的有效性。     

基于LS-DYNA的复合材料层合板低速冲击损伤研究

结合应力强度理论和粘接域理论,提出一种全新的复合材料低速冲击损伤模型,利用大型动力有限元软件LS-DYNA进行实现,并通过算例的分析,验证了该模型的准确合理性。研究结果为复合材料抗低速冲击损伤提供理论依据。     

湿热条件对木竹复合胶合板弯曲性能的影响

对木竹复合胶合板在5种不同湿热条件下的弯曲性能进行了研究。结果表明:木竹复合胶合板在不同湿热条件下的弯曲性能从大到小依次为:冰冻(-55℃,4 h),常态(20℃,65%),干热(150℃,4 h),冷水(20℃,24 h),热水(90℃,4 h)。冰冻处理后木竹复合板的弯曲性能表现为正增强效应,其力学性能保持率为130%以上;干态、冷水、热水处理后均为负效应,表现为弯曲性能降低。干热与冷水处理下木竹复合胶合板的静曲强度保持率小于弹性模量的保持率;热水处理后的弹性模量保持率低于静曲强度保持率。木竹复合胶合板在冰冻、冷水、干热下表现为以脆性破坏为主,热水处理后木竹复合胶合板的性能表现出粘弹性特征。     

液固高速撞击时材料表面损伤的数值模拟

为了研究液固撞击的机理,采用光滑粒子流体动力学方法（SPH）与有限单元法（FEM）建立了考虑流固耦合效应的高速液固撞击数值模型,详细分析了直径为2mm、撞击速度为1000m／s的液滴和射流对有机玻璃（PMMA）的三维撞击和破坏状况．分析表明：射流与液滴在撞击初始时刻的前缘变形和内部压力分布几乎是完全相同的;液滴撞击固体的最大压力值出现在0．20μs时,但此时材料内部最大等效应力只有104MPa,材料还不足以发生破坏;产生于液固撞击瞬时后0．32μs、速度高达2925m／s的侧向射流是使固体表面产生破坏的主要原因,因此撞击最初的破坏位于以撞击中心为圆心的一个圆环区域处．所得材料表面损伤情况与Brunton的实验数据吻合良好,证明了数值模型的可行性和精确性．     

Nomex蜂窝夹芯板冲击损伤试验研究

针对某型飞机上应用的Nomex蜂窝夹芯板,通过冲击损伤试验,研究了蜂窝夹芯板厚度对其抗冲击损伤能力的影响、试件损伤面积与冲击能量之间的关系以及穿透损伤对夹芯板轴压承载性能的影响。结果表明:20 mm与8 mm厚度板在分别承受40 J与25 J冲击能量时出现穿透损伤,厚板比薄板具有更高的抗冲击损伤能力;相同冲击能量时,20 mm厚板损伤面积比8 mm板的小;随冲击能量的增大,两种板的损伤面积逐渐增大;当冲击能量超过一定值时,8 mm板损伤面积增速明显加快;20 mm蜂窝夹芯板冲击后的剩余强度为完好件的56.7%,8 mm蜂窝夹芯板冲击后的剩余强度为完好件的67.5%。     

复合材料加筋单元初始分层损伤参数影响分析

复合材料加筋结构在制造过程中往往会存在不同形式的初始分层损伤,这些初始分层损伤都会在不同程度上影响结构的承载能力。本文采用两种本构关系的粘接元模拟粘接良好界面和分层界面胶膜。并对含不同损伤面积、不同损伤形状、不同损伤位置的加筋单元进行了面外拉伸分析,得到了剩余强度与损伤参数之间的关系。对于复合材料的损伤与失效,本文采用了Cuntze失效准则及Puck刚度退化模型,较好的模拟了复合材料失效及刚度退化过程。模拟结果和试验结果吻合较好,证明了本文中算法的有效性。     

有保护层的岩石冲击损伤实验研究

利用一级轻气炮,对有保护层和无保护层的砂岩、花岗岩和大理岩试件进行冲击实验,并对试件进行冲击压力测试和声波测试,利用试件端面产生的冲击压力波形分析保护层对冲击作用的影响,利用实验前后的声波速度变化情况衡量岩石试件的损伤度。实验结果表明,在其它实验条件基本一致时,有保护层的岩石试件所受的冲击压力比无保护层时降低了60%左右;波速降低率也明显减小,损伤度降低率在14.8%~48.2%之间。说明保护层能够对受冲击作用的岩石起到很好的保护作用。     

基于三维应变渐进损伤准则的复合材料层合板大开孔压缩损伤研究

针对复合材料层合板大开孔压缩,将二维应变渐进损伤准则修正为三维应变渐进准则,使其能够模拟层合板的分层损伤,建立了复合材料层合板大开孔压缩损伤分析模型。利用UMAT子程序将基于三维应变渐进损伤准则引入到分析模型中预测纤维、基体及分层等失效演化过程;并对大开孔复合材料层合板进行试验研究。试验结果表明所建立的基于三维应变渐进损伤准则的层合板大开孔分析模型能很好地模拟大开口复合材料层合板压缩过程中的损伤起始、损伤扩展及破坏模式;并最终预测复合材料层合板大开孔的破坏强度。     

金属材料在重复冲击下的损伤演化

为了探究金属材料在重复冲击下的损伤演化规律,基于Lemaitre损伤演化模型,提出了两种损伤演化方程建立方法：直接法和修正法。基于这两种方法建立了7075铝合金的损伤演化方程,并对两种损伤演化方程进行了对比研究,结果表明：直接法和修正法得到的损伤演化方程形式不同,但其损伤演化曲线十分相似,对试样失效前的可冲击次数预测十分相近,通过与实验值的对比,认为两种损伤演化方程在一定范围内对于重复冲击寿命的预测都有较高的准确性。     

波纹型复合材料蒙皮拉伸变形特性研究与仿真分析

首先介绍了国内外变体机翼和蒙皮结构的研究现状,提出了满足变体机翼蒙皮连续光滑以及大变形需求的波纹型复合材料蒙皮结构。建立了复合材料的密度、各相所占体积分数以及各向弹性模量的计算表达式。根据计算结果利用MSC.Patran/Nastran进行了有限元仿真分析。制备了平板型和波纹型蒙皮试验样件,并进行了样件拉伸试验。最后将仿真结果与拉伸实验进行了比较和分析,验证了仿真模型的正确性与波纹型蒙皮的大变形能力,为进一步的实验研究与蒙皮优化提供了依据。     

韶山市城区人为热影响下的热环境数值模拟

以韶山市城区的热环境为研究对象,利用Gambit软件建立了该城区建筑群的物理模型。分析了影响城区热环境的四种人为热源,通过Fluent软件模拟出夏季不同人为热影响因素作用下的城区热环境;并分析这些因素的影响程度。模拟结果表明:人类新陈代谢、工业、空调和交通四种不同的人为热对城区热环境有不同程度的影响,其影响程度大小依次为空调排热、新陈代谢排热、工业排热、交通排热,其中交通排热主要对路面周围热环境有影响。研究结果可以为改善城区热环境、缓解热人为热导致的热效应加剧提供参考依据。