复杂加载状态下的剪切本构关系

脆性材料的内部通常含有大量随机分布的微细观缺陷,在受到外部载荷作用时,材料会表现出相当复杂的力学响应。当内部微裂纹受到压剪载荷作用时,裂纹面之间可能会发生相对滑动,它与材料的损伤过程相互影响,表现为非线性应力应变关系等行为。可以从研究一个简单的含一条裂纹的单元体开始,令其承受双轴压力和剪力,利用弹性力学理论中的复变函数解法,考虑到裂纹面间的摩擦力,计算出单元体边界及裂纹所在平面上各点的位移,通过某种平均化方法,可以得到单元体的基体剪应变和总体剪应变,再根据弹性剪切本构关系,进一步得到单元体在该加载条件下的弹性剪切损伤本构方程,同时得到剪切损伤变量的细观描述形式。计算结果表明,2个方向上的压力大小均对材料的剪切损伤和剪切模量产生一定程度的影响。     

侧压对材料有效压缩模量的影响

损伤力学是固体力学的一个分支,是材料变形与破坏理论的重要组成部分。损伤力学的研究方法有宏观和细观之分,宏观方法更便于工程实际的应用,而细观方法有着更为清晰的物理背景。复杂应力状态下裂纹面间的正应力和剪应力的分析是损伤力学中经常涉及的问题,可以用宏观损伤理论分析侧压条件下裂纹面的闭合应力,从而得到裂纹面间的正应力,然后在弹性力学理论的基础上,利用细观力学分析中的某种平均化方法,推导出脆性和准脆性材料沿裂纹面法线方向的压缩应力-应变本构关系,同时可得到侧压条件下材料的有效压缩模量。计算结果表明,侧压和裂纹面的闭合应力对材料的压缩杨氏模量有一定的影响。由该理论得到的裂纹面间的正应力可知裂纹面间的剪应力,由此可分析考虑摩擦效应的有效剪切模量。     

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。     

混凝土拉伸损伤演变的细观力学研究

根据能量耗散等价假设对二维平面应力问题，建立了单轴拉伸与双轴拉伸情况下混凝土宏观损伤变量与细观损伤参数(微裂纹密度)的关系．在双轴拉伸情况下，材料破坏时微裂纹密度为一定值，与σ1和σ2的变化无关；但破坏时的宏观损伤值随横向拉应力的增大而增大。     

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.     

自由面压力作用下横观各向同性地基多裂纹分析

针对自由面均布压力作用下横观各向同性地基中的水平矩形裂纹问题,发展了基于横观各向同性双材料基本解的一种数值方法,该方法不需要离散自由面边界。采用基于横观各向同性双材料基本解的弹性场数值方法获得表面外部圆形荷载作用下地基内的附加应力场,应用断裂力学应力场叠加原理,得到裂纹面上的面力,进而采用横观各向同性双材料对偶边界元方法得到相应的裂纹面间断位移和裂尖应力强度因子。计算结果表明:自由面均布压力作用下横观各向同性地基中的水平矩形裂纹为Ⅱ型和Ⅲ型的混合裂纹。对于处在不同大小附加应力场位置的两条水平矩形裂纹,其裂纹间的相互作用除与两裂纹间距离有关外,还与裂纹位置处附加应力场大小有关,其相互作用对处在附加应力较大位置裂纹的裂尖应力强度因子的影响更大。     

复杂应力状态下砌体匀质化RVE数值模拟分析

针对无筋砌体力学性能研究,基于匀质化理论,利用二次开发的有限元分析软件,考虑砌体RVE各边的应变状态,建立周期性边界条件,对砌体RVE匀质化过程中RVE单轴、双轴、三轴以及剪压复杂应力条件下的力学响应进行了数值模拟分析,得到了各状态下的应力应变曲线.分析结果表明,在受压状态下,砌体RVE受压应力应变曲线表现出一定塑性,并且双轴、三轴受压状态下RVE强度高于单轴受压;拉-压状态下,砌体RVE受拉应力应变曲线表现出材料脆性特性;拉-压-剪状态下,砌体RVE强度受剪压比、拉剪比影响,这些都很好地反映了无筋砌体的细观力学特性.     

油井水力压裂的三维数值模拟

为了研究油层岩石在水力载荷作用下的裂纹扩展及渗流行为,采用渗流应力耦合模型对水力压裂过程进行了三维有限元方法数值模拟研究.预设裂纹用粘结单元来模拟,裂纹的起裂和张开用单元的损伤因子表征.为了使得在裂纹扩展过程中,流体压力能随裂纹扩展动态地跟踪加载到裂纹面上,给出了流体压力在裂纹内传递的模型,并编写用户子程序予以实现.模拟结果得到了水力压裂过程中岩石中的应力分布、孔隙压力分布、压裂液的滤失以及裂缝的几何形态.分析了压力和隔层等因素对裂纹几何形态的影响.该研究结果对石油工程中压裂方案设计及故障诊断有一定的理论参考价值.     

基于压缩载荷下微裂纹扩展的微观力学岩石弹塑性损伤模型研究

建立基于微裂纹扩展的岩石弹塑性损伤微观力学模型。压缩载荷下微裂纹尖端翼裂纹稳定扩展表征岩石的微观损伤,基于应变能密度准则用Newton迭代法求复合型断裂的翼裂纹扩展长度,并采用微裂隙统计的二参数Weibull函数模型反映绝对体积应变对微裂纹分布数目影响,进而用翼裂纹扩展所表征的应力释放体积和微裂纹数目来表示含有微裂隙的岩石损伤演化变量;宏观塑性屈服函数采用Voyiadjis等效塑性应变的硬化函数,反映塑性内变量对硬化函数的影响;建立岩石的弹塑性损伤本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制弹塑性损伤模型的程序。分析弹塑性损伤模型的基本特性和围压对岩石损伤的影响,并从围压和短微裂隙长度等因素分析弹塑性损伤模型的岩石的损伤和宏观塑性特性。以2个单轴压缩岩石试验为例验证该模型。结果表明:所提出的弹塑性损伤模型与数值和试验结果比较吻合。     

含孔岩体破裂过程的无单元法数值模拟

根据岩体损伤程度对其渗透性和强度的影响,利用定义的损伤变量建立了应力-渗流-损伤的耦合分析模型.综合考虑应力、渗流、损伤之间的相互作用影响,模拟分析了含孔岩体在不同水压力作用下破裂的过程.分析表明,内水压力是促使裂纹扩展的一个重要因素,内水压力增加可以使原来停止扩展的裂纹重新扩展或者使原来闭合的裂纹重新张开,而且裂纹张开度的变化将导致裂纹内的渗流特性发生改变.     

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。     

二维多晶体材料微结构的力学响应计算

为了研究二维多晶体材料微结构细观尺度的力学性能和失效行为,将材料微结构细观力学响应的数值计算建立在材料微观组织结构的代表性体积单元(RVE)上.利用已开发的材料微观组织结构仿真软件ProDesign构造出二维多晶体材料微结构模型,采用C程序设计和Python脚本语言混合编程的方法,开发出用于材料微结构有限元网格划分与细观应力响应计算的软件AutoRVE,这对评估微裂纹的启裂、扩展,预测复合材料微结构材料损伤后的材料性能,推演微结构"虚拟失效"行为具有指导意义.     

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.     

基于单轴压缩试验的岩石损伤力学参数修正及数值模拟

岩石在加载或卸荷过程中,内部微裂纹逐渐扩展和延伸,其力学参数会发生动态劣化,表现出损伤特性。基于岩石单轴压缩试验,从损伤力学的角度出发,利用岩石微元强度服从威布尔分布函数,建立压缩变形过程中损伤变量与累积应变之间的关系。基于FLAC3D平台模拟室内单轴压缩试验过程,利用其内嵌的Fish语言进行二次开发,对岩石力学参数进行动态修正。数值模拟结果表明,经过力学参数修正的计算过程能更好地反映岩石受压过程。     

SEM原位观察双尺度纳米晶304不锈钢的断裂行为

利用原位拉伸扫描电镜,观察并研究了"铝热反应法"制备出的304奥氏体不锈钢试样经退火与轧制处理后动态拉伸过程中裂纹的萌生与扩展情况及其与双尺度微观组织之间的相互影响关系.结果表明:在拉伸过程中,微裂纹易生成于微米晶和纳米晶间的晶界处,在纳米晶基体中延伸、扩展.裂纹扩展路径受拉伸应力状态以及板材内部晶粒和粗大第二相分布的影响.双尺度组织中微裂纹产生的背应力可有效减缓裂纹扩展速度,从而增强了材料整体的延展性.     

楔形钻齿作用下岩石破碎及微观劣化过程

从理论分析和数值模拟两方面研究楔形钻齿侵入岩石过程中径向裂纹和侧向裂纹的扩展情况。首先根据Marshall的试验研究,分析考虑钻井液压力、侧压作用下岩石在楔形钻齿侵入过程中径向裂纹与侧向裂纹的极限长度公式和最佳齿间距公式,讨论钻井液压力、侧压和齿间距对裂纹扩展的影响;然后利用离散单元方法(PFC2D)研究楔形钻齿侵入过程中岩石的失效以及裂纹扩展情况。研究表明:随着侧压增大,临界侵入深度变大;钻齿下方的损伤区域变小,并且损伤区域变得相对比较平坦,不再凸入岩石内部;钻井液压力增大对径向裂纹的扩展以及损伤区域的扩大有促进作用,径向裂纹长度以及损伤区域随钻井液压力的增大而增大,但损伤区域随着钻井液压力的增大越来越凸入岩石内部;钻井液压力对侧向裂纹的萌生和扩展有抑制作用;合理的齿间距可以产生侧向裂纹重叠区,促进岩石的破碎,提高破岩效率;理论分析结果和数值仿真结果较一致。     

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     

三维多晶体材料微结构的力学响应计算

材料微结构细观力学响应的数值计算对于识别"材料结构弱点",评估微裂纹的启裂、扩展,预测微结构材料损伤后的材料性能,推演"微结构虚拟失效"行为具有重要的意义.利用自主开发的材料微观组织结构仿真软件ProDesign构造出三维多晶体材料微结构的代表性体积单元,通过C语言程序设计、Python脚本语言混合编程的方式,实现对商业有限元软件ABAQUS前处理的二次开发,从而有效地实现三维多晶体材料微结构的细观应力响应计算.     

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.     

非贯通节理岩体等效强度及破坏特性

应用PFC2D数值模拟软件,选取适当的细观力学参数,建立非贯通节理岩体试样数值模型并进行双轴试验,设置监控圆监测岩体压缩过程非贯通节理面上不同位置应力及其变化情况。以莫尔-库仑强度准则为基础,对非贯通节理的等效强度参数进行推导,提出含非贯通节理的岩体等效强度公式。建立等效岩石试样和节理岩体试样数值模型进行双轴压缩试验,对含非贯通节理岩体等效强度进行数值模拟。研究结果表明:双轴压缩过程岩桥上应力大于相同时刻节理面上的应力,且岩桥达到峰值强度时节理面并没有达到峰值强度。等效强度公式计算得到的非贯通节理岩体强度与数值模拟得到的强度比较接近,应力-应变曲线基本一致。