混凝土细观扩展有限元法建模及宏观力学性能估算

混凝土内部的界面过渡区是材料的薄弱环节,一定程度上控制着混凝土材料的宏观力学性能,在界面应力和界面相对位移的框架下描述界面过渡区的本构行为,首先在界面应力空间下构建一个能够综合反映界面过渡区纯拉、拉剪和压剪加载下的初始开裂滑移面,然后通过两个独立的断裂能释放率参数:I型断裂能释放率和渐进II型断裂能释放率,来控制开裂滑移面的后继软化过程,建立了界面过渡区的摩擦剪胀型本构模型.并把该本构模型嵌入到扩展有限元的模式下,建立了能够反映界面过渡区复杂力学行为的扩展有限元模型.将建立的扩展有限元模型应用到混凝土细观数值模拟中去,探究了界面过渡区的初始界面刚度、峰值强度和断裂能释放率对混凝土宏观力学性能的影响规律.     

薄板粘接结构界面力学模型和数值模拟

在各种界面力学模型基础上,研究了张力-位移界面本构关系的粘接界面力学模型,应用有限单元方法对粘接结构进行了计算,分别模拟了剥离和剪切的界面开裂过程,描述粘接界面从起始剥离到完全开裂过程的力学性能,得到两种情况下的粘接界面开裂的强度曲线。     

PZT薄膜界面分层破坏的内聚力模拟

实验测试表明,单晶硅基板上磁控溅射沉积的多层薄膜材料Cr/PZT/PLT/Pt/Ti容易沿着Cr/PZT界面端开裂并发生分层破坏.我们在实验测试基础上,通过数值模拟计算与分析研究,确定了该薄膜界面的结合强度参数.模拟计算基于连续介质力学的内聚力模型,采用有限元方法来分析沿Cr/PZT界面的裂纹萌生和扩展过程.首先,将该界面表征为一个遵从指数或双线性内聚力模型本构关系的薄层.然后,通过与实测的断裂载荷、加载点的载荷-位移曲线校准的办法,确定出界面内聚法则参数.研究发现,内聚强度和内聚能是最为关键的内聚参数;双线性内聚力模型更适合于描述Cr/PZT界面破坏;与毫米量级厚度的薄膜材料相比,该多层薄膜材料中的Cr/PZT界面的内聚能较低,属于弱结合界面,沿着该界面的分层破坏为脆性断裂过程.本研究表明,宏观力学的内聚力模型同样适用于分析微米厚度薄膜的界面破坏问题.     

界面端脆性开裂扩展的数值模拟

用有限元分析了简支梁下表面粘贴异质材料后粘贴材料性能及结合角对界面端附近应力分布的影响,在此基础上,分别应用最大切应力准则和最大周向拉应力准则对界面端开裂扩展进行了数值模拟.计算结果表明,粘贴材料的性能及结合角仅对界面端附近的应力数值有影响,而对其分布规律影响不大;界面端或者由最大切应力引起沿界面开裂扩展,或者由最大周向拉应力引起垂直于界面在梁内开裂扩展.     

粘结滑移问题的界面应力元模型

基于不连续介质变形体的界面应力元法,通过在不同介质界面处设置粘结滑移元件,以界面两侧块体元材料的本构特性反映界面点对的正应力和法向相对位移之间的关系,以两种材料结合面的粘结滑移特性表征界面点对的剪应力和切向相对位移之间的关系,建立了粘结滑移问题的新的界面应力元数值计算模型,并编制了相应的计算机程序．数值算例表明,计算模型可较好地仿真复合材料界面的粘结滑移现象,能很好地揭示复合材料结构的工作性态．     

钢筋混凝土界面疲劳裂纹扩展模拟研究

界面脱粘是钢筋混凝土材料与结构的主要失效形式之一.基于剪切筒模型和常用疲劳加载方式,首先建立了循环荷载作用下钢筋与混凝土界面脱粘应力的计算模型;然后根据断裂脱粘准则,借助描述疲劳裂纹扩展的Paris公式,得到了脱粘界面疲劳裂纹扩展速率、扩展长度以及脱粘界面上摩擦系数与循环加载次数的关系;最后对处于循环荷载作用下的钢筋与混凝土界面进行裂纹扩展的模拟计算与分析.结果表明,摩擦系数的衰减程度是影响界面脱粘应力大小及裂纹扩展快慢的主要因素,而且材料的尺寸效应对界面疲劳特性的影响也不容忽视.     

基于EPHF模型均质多孔岩石材料水力压裂特性

基于流固耦合理论,在基于渗透率的水力压裂(PHF)模型基础上建立了扩展渗透率的水力压裂(extended permeability-based hydraulic fracture,EPHF)模型.该模型假设岩石材料在开裂过程中渗透率的改变为平均有效应力的函数,采用多孔介质弹性本构关系和Drucker-Prager塑性...     

考虑应变率效应的混凝土疲劳损伤本构模型

基于边界面概念和连续损伤力学理论,建立了由应变控制的混凝土拉、压疲劳损伤本构模型.在此基础上,通过对应变能释放率Perzyna黏性规则化来考虑混凝土的应变率效应,从而获得了可以研究材料静力、动力和疲劳特性的统一混凝土疲劳损伤本构模型,并用C＋＋语言编程对考虑应变率效应的混凝土本构关系和试验实例进行了计算和比较,结果表明该模型能较好地模拟混凝土应变率效应.     

模拟不同形态土-岩界面的直剪试验

土-岩界面具有特殊的工程地质性质,为了研究土-岩界面的剪切特性,在实验室制备了若干不同形态接触面和不同材料性质的圆盘试样,开展室内直剪试验,并对剪切破坏面的颗粒分布和接触面剪切本构模型进行分析。研究表明:接触面的应力-应变曲线呈现出弹塑性变化特点,利用指数型接触面摩擦本构模型,可以较好地反映剪切过程中接触面的应力-应变关系;剪切面颗粒在剪切过程中发生了破碎和移动,颗粒破碎所需的力大于移动所需的力,宏观上表现为抗剪强度的差异,颗粒重新分布及接触面闭合共同作用导致试样的法向变形;低法向荷载下,接触面强度低于两侧材料强度,随着法向荷载增大,接触面强度逐渐增大,其残余强度值位于两侧材料强度之间。     

考虑界面层效应的纤维增强陶瓷材料的力学模型

在弹性圆筒理论和剪滞模型基础上提出了考虑界面相与界面层效应的力学简化模型。据此对纤维增强陶瓷复合材料完成了Ｉ型加载条件下的应力分析，它有以下特点：①引进界面层，各项分析所得结果均含有界面层材料性能及几何参量等信息，因而能更好地用于材料设计与界面调控工艺；②不仅给出界面剪应力，还可给出界面正应力（或剥离力），因而更适用于分析界面分离，界面脱粘，基体开裂临界应力和纤维桥联增韧效应     

UHPC-NC组合构件界面行为研究

随UHPC材料兴起,现已有较多研究表明将UHPC材料应用于结构接缝处可极大程度地增强结构的整体性能,接缝界面处的粘结强度也逐渐引起学术界关注.然而,如何对结合面处进行有效的有限元模拟却始终未见统一有效的方式.文章在广泛的文献调研基础上,总结现有试验数据,对比试验方法,得到3种不同粗糙度界面粘聚力分别为2.24 MPa,2.37 MPa和2.66 MPa,3种界面摩擦系数分别为1.42,1.63和1.64;提出基于粘聚力和抗剪强度的UHPC-NC界面强度计算式;基于接触-分离模型分别建立适用于受拉为主构件及压剪为主构件的3D有限元模型,提出适用于光滑界面、中等粗糙界面及粗糙界面的粘聚力参数、接触损伤相关参数;为验证有限元参数有效性,建立多个文献试验有限元模型并与结果对比较为吻合,可为后期有限元计算提供参考.     

弥散裂缝模型水力压裂数值方法的网格敏感性分析

在非线性岩土/石力学问题中,网格质量是影响计算结果的一个重要因素.本文分析了弥散裂缝模型水力压裂数值求解方法中单元高宽比(AR)对计算结果的影响.材料的弹性部分采用线弹性和多孔弹性两种本构关系,屈服和破坏准则采用Drucker-Prager(DP)和Mohr-Coulomb(MC)两种模型.通过综合分析,无论采用何种本构关系,均存在网格敏感性问题.当裂缝的传播方向已知时,可以将单元的AR值控制在2.8~8.0之间,以避免弥散裂缝模型的网格敏感性问题,并得到稳定的结果.如果裂缝传播方向未知,建议使用线弹性本构关系和DP或者MC塑性模型,同时建议AR的取值为1.0.     

Bridging properties of the debonded interface with frictional sliding

A theoretical model simulating the properties of frictional bridging is presented and relatively perfect stress solutions for the fiber and matrix are obtained. Based on the energy equilibrium in the process of interfacial debonding, an expression for the energy release rate G is derived to explore the interfacial fracture properties. By introducing an interfacial debonding criterion G≥Γ_i, a method for determining the critical debond length is proposed and the bridging constitutive relationship is also obtained. Numerical calculations are conducted for the fiber-reinforced composite SCS-6/T_i-6Al-4V and the results are also compared with those obtained by using other existing models.     

层合板厚度对桥接和层间断裂韧性影响的研究

复合材料层合板分层扩展行为的准确模拟与分析对层合板结构设计十分重要.针对现有研究未定量描述Ⅰ型层间断裂韧性与层合板厚度之间关系这点不足,借助ABAQUS有限元软件建立平面应变模型,通过对厚度与层数比例的控制,采用迭代方法来确定试样厚度对桥接区牵引分离行为的影响.同时,考虑内聚力本构关系,利用有限元方法研究厚度为2、4、8 mm的单向碳/环氧复合材料试样层间分层扩展行为.结果表明,层间的稳态断裂韧性随着试样厚度的增加而增加,但初始断裂韧性与厚度无关,进而验证试样厚度对层合板层间断裂韧性的影响,分析结果与实验值有较好的一致性.     

裂隙性储层压裂缝延伸机理及防治水意义

针对由水力裂缝触发的裂隙性储层涌水、突水等地质问题,首先根据弹性力学原理和断裂力学强度准则,基于储层原生裂缝几何特性和压裂液渗流规律,建立了垂直井工况下的起裂压力计算模型;其次考虑煤储层的损伤本构关系,将Dougill损伤因子与起裂压力公式相结合,进一步建立了延伸压力的计算模型;应用经典的PKN模型以及裂缝内净压力的非...     

土壤覆层对混凝土中爆炸毁伤破坏的影响

针对混凝土的破坏模式,把连续损伤模型嵌入LS-DYNA有限元软件中,对炸药在土壤-混凝土复合介质中爆炸时波的传播、混凝土的损伤破坏进行了数值模拟研究,得到了土壤-混凝土界面参数的变化规律以及土壤厚度对混凝土损伤破坏的影响规律. 研究结果对于战斗部和防护结构设计以及工程爆破具有一定的参考价值.     

用界面元分析层状陶瓷的三点弯曲断裂性能

采用无厚度界面单元对层状陶瓷的断裂性能进行了数值研究．在三点弯曲断裂试验中,可以观察到层状陶瓷裂纹扩展同时具有贯穿裂纹和层间裂纹两种形式．在本的有限元计算中,对两种不同形式的裂纹扩展采用了不同的计算方法．对于纵向扩展的贯穿裂纹,采用最大拉应力破坏准则,而对于横向的层间裂纹扩展,则用无厚度的界面单元的破坏进行模拟．对层状陶瓷试件的层数与断裂性能关系的计算可以得到以下结论：随着层状陶瓷的层数的增加,其断裂性能逐步提高,但是增幅逐渐减少,到20层左右时,再增加层状陶瓷的层数,对提高断裂性能并无太大的帮助．     

缝端奇异边界单元和界面裂缝的应力强度因子计算

虽然不同材料的界面裂缝缝端应力情况很复杂，但是在拉剪荷载作用下，仍然存在主 导缝端奇异特性的特征参数──应力强度因子，且其主导奇异项仍为１／２，因此可以采用１／４ 奇异边界单元模拟缝端的位移场和应力场。作者沿界面引用边界元，在界面裂缝周围引入１／４ 奇异边界元，给出了计算异弹模界面缝复应力强度因子的计算格式，定义了界面裂缝的等效能 量释放率，探讨了界面裂缝的断裂差别指标，并应用于混凝土坝与岩石地基的界面裂缝扩展分 析中，得到一些有关坝工安全的重要提示。