混凝土等颗粒型材料的偶极效应分析

考虑物质点的偶极效应,基于 Cosserat 连续体介质力学模型,把球形微颗粒推广到方形微颗粒,推导出方形微颗粒对应的偶应力和曲率应变之间的线弹性关系,并提出了一种能考虑微颗粒倾覆破坏的广义屈服准则。编写了基于 Cosserat 连续体介质力学模型的有限元分析程序,进行了混凝土试样单轴压缩试验和土体边坡稳定性分析的数值模拟。研究结果表明,物质点的偶极效应确实存在,且是材料发生应变局部化的直接原因。     

基于渐变网格剖分方法的再生混凝土细观数值试验

细观上,把混凝土看成是由骨料、砂浆以及它们之间的界面等组成的多相复合材料,对于光滑的球形骨料,预先进行镶边处理,并在此基础上首先对封闭域形成表面单元,然后采用拓扑映射的渐变网格剖分方法往里拓扑成四面体单元网格,按同样方法依次生成界面单元网格和砂浆单元网格,删除表面单元和多余节点后形成混凝土试件的三维细观有限元网格模型。采用该细观有限元模型进行再生混凝土的单轴压缩数值破坏试验,结果表明,该网格模型在单机环境下很快的就能完成数值试验,与以往的自由网格剖分法和映射网格剖分法生成的细观有限元模型相比不仅在计算规模上大大缩小了,而且模拟的破坏形态与实际非常吻合,精度也很高。     

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.     

蒸汽发生器安全端焊接接头应力强度因子计算

推导含初始应力场的扩展有限元(XFEM)弱形式,并应用到焊接导致的残余应力场下裂纹问题数值模拟中。采用互作用积分策略以获得更精确的计算应力强度因子(SIF)。在此基础上,分析蒸汽发生器(SG)安全端异种金属接头在焊接残余应力场下SIF随裂纹深度的变化情况。研究发现,随着焊接接头内侧裂纹的不断深入,SIF先增大、后减小,这表明材料对裂纹扩展的抗力是先增大、后减小的过程。初始应力场施加方法利用了XFEM在模拟裂纹扩展上的优势,避免了网格更新导致的重复计算。     

交叉型裂纹扩展模拟的一种有效方法

结合广义有限元法(GFEM)和扩展有限元法(XFEM)的特点,提出了一种新的数值方法——广义扩展有限元法(GXFEM).阐述了广义扩展有限元法的基本原理,对相关公式进行推导,探讨数值实现中需注意的重要问题,给出利用广义扩展有限元法进行断裂分析时应力强度因子的计算方法,编写了广义扩展有限元法程序.通过算例进行了应力强度因子的计算,模拟了结构裂纹的扩展过程.算例结果表明,利用广义扩展有限元法计算交叉裂纹扩展问题,不需要进行过密的网格划分,且网格在裂纹扩展后无需重新剖分,具有相当高的计算精度.     

边坡失稳问题的非局部损伤本构建模

借鉴近场动力学的思想,任意一点的损伤状态由围绕该点的断键情形来评估.通过引入能量退化函数,构建了一个有限元框架下的非局部损伤本构模型,该模型能够克服键基近场动力学的泊松比限制,又能反映剪切破坏的力学行为.有限元建模时仅需对可能出现破坏的区域进行网格加密,应用提出的非局部损伤本构模型,就能准确捕捉破坏过程中的裂纹或滑移带的发展.四点剪切梁的例子验证了本模型的可靠性和高效性,最后应用到边坡的失稳模拟上,取得了非常好的效果.     

基于最小耗能原理的塑性应变流动法则

根据最小耗能原理,推导塑性应变流动法则的一般表达式.与传统塑性流动法则相比,该流动法则增加了一项交叉耦合项,可以很好地揭示准脆性材料剪胀效应的内在机理.同时在该流动法则下,推导弹塑性有限元增量迭代格式,由于其刚度矩阵的对称性,使得计算效率大大提高.对土试样塑性应变的演化过程进行追踪模拟,其破坏形式与实验现象非常接近,表明基于最小耗能原理框架下的流动法则是合理可靠的.最后,采用该流动法则下的弹塑性有限元对土质边坡的变形破坏过程进行模拟,破坏形式与实际情况相符,表明新的流动法则不仅合理可靠,而且具有广阔的应用前景.     

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.     

混凝土细观损伤破坏过程的数值模拟

在细观层次上,把混凝土看作是由水泥砂浆、骨料及二者之间的界面组成的复合材料,应用渐变网格剖分方法对随机投放的骨料、界面和水泥砂浆进行网格剖分,删除多余节点,重新排列节点顺序,生成三维随机骨料分布的细观有限元数值模型.利用该模型分别进行了混凝土的单轴拉伸、压缩、劈拉和梁弯曲等数值试验,分析了不同界面参数、不同砂浆损伤参数、不同加载形式对混凝土试件的变形特点、破坏形式以及承载能力的影响,探讨了混凝土宏观力学性能(如应变软化和剪胀等性质)的细观机制.     

基于能量密度支函数的混凝土宏细观屈服准则的构建

把混凝土看作是由骨料、砂浆基体和他们之间的界面组成的复合材料,并假定骨料形状为球形且不屈服以及砂浆基体服从D-P屈服准则,通过引入能量密度支函数来反映砂浆基体的屈服面,并构造一函数逼近序列来解决屈服边界不可导的问题,最后由非线性均匀化技术推得混凝土材料的一个宏细观屈服准则的关系式,并由它探讨了界面连接状态和骨料含量对宏观摩擦系数的影响规律.