含约束薄膜的单轴拉伸的理论与数值研究

基于微态理论与应变梯度弹性理论框架,对含约束薄膜的单轴拉伸问题进行了研究。推导出在不同微观约束边界条件下薄膜单轴拉伸的解析解,较好的预测了薄膜内的边界层效应。通过分析两种理论之间的内在联系,发现可选取微态理论中的耦合因子作为罚参数,使得微态理论可以退化至应变梯度弹性理论。计算结果表明施加罚参数后的有限元解在边界层区域外...     

西气东输管道裂纹的韧性减速机理研究

将动态断裂力学的基本原理、基本方法和止裂判据与壳体动力学的有限元方法相结合,形成了求解输气管道裂纹扩展问题的数值分析方法。对于高韧性钢,塑性功卸载引起的热耗散不可忽略。为此根据瞬态裂纹扩展条件下的整体能量平衡方程,在有限元中构造了求解瞬时速度的迭代算法。其中以材料的热耗散比率为主要构成的动态断裂韧性由实验测得,在计算中作为裂纹扩展速度的函数代入,形成韧性减速机理。为了给出计算需要的参数,推导了双试件DWTT法测定热耗散比率的公式。     

能量平衡结合有限元数值计算分析天然气管道裂纹稳定扩展问题

本文提出了在天然气管道裂纹稳定扩展问题中，应用能量平衡方法结合有限元数值计算结果来分析计算裂纹驱动力。能量数值计算采用了可模拟动裂纹在管道上扩展的有限元程序ＰＦＲＡＣ，它包括了对未开裂管道和裂纹扩展管道的能量计算。通过分析外力作功和内部能量在裂纹扩展时的变化率，应用能量平衡方法计算了裂纹驱动力，并与在ＰＦＲＡＣ程序中应用节点力释放方法计算的裂纹驱动力的结果进行了比较     

纤维增强PE材料增韧效果的研究

以聚乙烯(PE)材料为基体,应用玻璃纤维随机或定向分布,增加材料的强度、刚度和断裂韧性,是发展高压大口径复合材料天然气管道的需要。本文基于PFRAC程序的动态断裂分析能力[1],增加了各向异性材料的本构条件,发展了对纤维增强复合材料未开裂和开裂管道的计算功能。由力学性能的试验结果,提供了材料的本构关系,对未开裂和开裂的管道进行了计算分析。结果表明,PE管道经纤维增强之后,与纯PE材料的管道相比,其环向位移下降到53%(纤维随机分布)~5%(纤维沿管道轴向80度分布);裂纹驱动力相应下降到50%~17%,充分反映了纤维对PE材料的增强和增韧效果。     

断裂动力学有限元程序的开发及在天然气管道裂纹扩展问题上的应用

许多工程问题是由于流（气）体压力导致了结构开裂,裂纹迅速扩展或者止裂,这被认为是断裂动力学最前沿的研究领域。本文描述了应用于分析流体／结构／断裂耦合作用问题的计算程序ＰＦＲＡＣ（ＰｉｐｅｌｉｎｅＦＲａｃｔｕｒｅＡｎａｌｙｓｉｓＣｏｄｅ）,和它在天然气管道裂纹迅速扩展问题上的应用。基于断裂动力学的模式,提出了裂纹扩展和止裂的判据。对于裂纹驱动力的计算,给出了节点力释放技术和能量平衡方法的具体应用。根据实际管道开裂试验的数据,提出了便于非耦合作用计算的裂纹后面气体压力衰减模式。针对钢制和塑料制天然气工程管道,给出了部分计算和试验的结果。     

基于三维头部数值模型的颅脑碰撞损伤机理研究

头部碰撞载荷会致使颅脑发生创伤性脑损伤（Traumatic Brain Injury,TBI）。其中,脑组织挫裂伤是最为常见的一种,具有高死亡率与高致残率的特性。该文基于数值模拟方法对其开展相关研究,揭示其损伤机理,对该类损伤的预防救治与相关防护设备的开发都具有重要意义。首先,该文基于颅脑的核磁共振切片建立了人体头部三维数值模型,该模型真实地反映了颅脑的生理特征与细节构造。在该模型中,颅骨采用典型类三明治结构进行表征,其内外层为刚度与密度较大的骨密质,中间层为骨松质。为了真实反映脑组织与颅骨间的相互作用,将脑脊液与蛛网膜小梁简化为均质整体,采用状态方程表征脑脊液的液态特性,并通过较小的剪切模量表征蛛网膜小梁的剪切传递作用。然后,基于死尸前额碰撞实验对三维头部数值模型的有效性进行验证。该头部模型采用三种不同的颈部约束边界条件对前额碰撞实验进行数值模拟,模拟结果表明:自由边界条件下的模拟结果与实验数据吻合良好,验证了该头部碰撞模型的有效性;而在竖向约束边界条件或固定边界条件下颈部的约束过于刚硬,导致撞击处与对撞处的颅内正、负压力交替变换,与实验结果相比出现较大偏差。最后,利用验证的头部碰撞模型对枕部碰撞过程进行数值模拟,并结合前额碰撞的模拟结果,分别从脑组织压力（体积变形）与Mises应力（剪切变形）等方面对颅脑的动态响应规律进行分析;进一步结合医学上颅脑碰撞损伤的统计数据,揭示了脑组织挫裂伤的损伤机理,建立了相应的损伤准则。     

复合材料低速冲击损伤研究及等效模型的应用

复合材料低速冲击损伤的特殊性及危害性使得对航空复合材料冲击损伤的评估尤为重要。该文通过建立数值计算模型并结合实验数据解决了4个方面的应用问题:1)在ABAQUS子程序VUMAT中引入损伤模式及损伤演化,结合层间连接单元对层合板低速冲击损伤进行了模拟;2)损伤容限设计方法要求对含缺陷结构的极限强度做出正确的评估,通过ABAQUS子程序USDFLD引入损伤模式及材料折减方案,得到了含圆孔的层合板极限拉压强度;3)通过ABAQUS子程序UMAT引入损伤模式及刚度折减方案,结合层间连接单元,模拟了含预制分层的层合板压缩失效问题;4)针对共用铺层结构的工程有限元计算问题,提出了力学等效模型,将该模型应用到结构级的静力实验模拟并拓展至结构冲击模拟。     

基于给定参数的水力裂缝与天然裂缝相互作用结果的预测准则

水力裂缝（HF）和天然裂缝（NF）之间的相互作用在压裂裂缝性储层中扮演着重要角色,并可能导致复杂的裂缝网络。该文基于断裂力学理论提出了一个基于给定参数的显式表达式准则。在进行数值模拟、实验或现场施工之前,根据输入参数,应用本准则预测HF遇到NF后的穿透、打开或滑移行为,以及评估已有的水力压裂试验结果。根据准则可知,在高地应力差和高交汇角下,HF容易穿透NF;在低地应力差和低交汇角下,HF容易打开NF;在适当的应力差和交汇角度以及摩擦系数条件下,NF会在HF的作用下发生剪切滑移。高的岩石断裂韧性和短的HF长度（水平井筒到NF的距离）也会导致HF打开NF。相比其他隐式表达式或通过计算程序给出的准则,该文提出的准则只依赖于外部输入参数,具有显式表达方式,方便压裂实验和工程应用。     

Modeling of nanoscale friction using molecular dynamics simulation

利用分子动力学方法模拟了刚性金刚石压头在Ni单晶体上的滑动过程, 讨论了压入深度对 摩擦力的影响(压入深度对滑动过程中压头下方的微结构演化(能否发射位错环)有很大影响). 结 合摩擦过程中的塑性行为和能量耗散机制, 解释了产生摩擦力锯齿形曲线的原因, 证实了位错的形 核及湮灭是黏--滑机制的原因之一. 不同滑动速度对摩擦力影响的模拟表明, 压头的滑动速度决定 了压头下方位错环的运动和演化形式: 在高速滑动下, 形成的位错环依次沿着滑移面很快向Ni单晶 基体内扩展; 在低速滑动下, 压头下方产生的位错环互相发生作用, 在材料的亚表面形成较低能量的 大位错环, 由此产生的塑性变形主要集中在材料的亚表面.     

超弹性材料过盈配合的轴对称平面应力解答

主要讨论了一种采用超弹性材料轴对称过盈配合的橡胶减震元件,推导了橡胶材料过盈配合平面应力的大变形解析解,并应用 ABAQUS 有限元软件进行数值模拟,分析和对比了解析解和数值解的结果,定量分析材料泊松比和体积刚度对问题的影响。