构元组集模型对结构弹性损伤至断裂过程的描述及与内聚区模型的比较

结构的响应实质上是材料的响应,宏观结构损伤至断裂的发展过程也是材料性质不断演化的结果。构元组集模型从材料的微观物理变形机制出发,基于对泛函势理论和Cauchy-Born准则,抽象出两种构元——弹簧束构元和体积构元。在微观层次上,结构损伤和断裂的实质都是原子间键合力减弱和丧失的结果,而弹簧束构元是同一方向上的原子键的抽象,因此损伤可以通过弹簧束构元的响应曲线来反映。组集两种构元的响应,建立了材料的弹性损伤本构关系,从而能一致描述材料从弹性到损伤、破坏的发展过程。将构元组集模型的本构关系嵌入ABAQUS的用户材料单元子程序UMAT,实现对结构响应的数值模拟。本文模拟了包含中心预制裂纹三点弯曲梁的裂纹扩展过程,并与内聚区模型比较,给出了内聚区模型所假设的应力——位移关系曲线,并从材料损伤演化的角度对材料裂纹扩展过程做出了物理解释。     

陶瓷材料动态压缩损伤本构模型

运用细观损伤力学理论,从动态压缩载荷下陶瓷材料内翼型裂纹的产生和扩展的损伤机理出发,建立了陶瓷材料的弹脆性动态损伤本构模型,给出相应的损伤演化方程.假设裂纹成核满足Weibull分布,讨论了成核分布参数、原始缺陷尺寸对材料动态断裂应力、断裂应变的影响,并用动态损伤演化模型计算了冲击载荷下AD90陶瓷的动态应力应变曲线,计算结果和实验结果符合很好.     

考虑损伤的节理本构模型

本文在弹塑性损伤的理论框架内,讨论了节理等地质间断面的本构模型。这个模型能够反映节理面的损伤弱化,扩容和弹性刚度劣化等复杂特性。这个模型的另一优点是,塑性变形增量与屈服面是非正交的,但本构矩阵具有对称性。这种对称性在岩石力学的理论研究和数值分析中是至关紧要的。     

基于Ottosen本构关系的混凝土三维损伤模型

提出基于混凝土已有本构模型建立混凝土三维损伤模型的方法,该方法无需再进行新的参数标定,计算损伤不必通过对损伤演化方程的积分获得.基于Ottosen本构模型建立了相应的损伤模型,就损伤参量和Ottosen非线性指标的不同选取方式,对典型比例加载情形的全过程进行损伤分析,发现基于刚度下降和基于变形能力损失的两种不同损伤描述具有互补性,非线性指标采用比例增大法计算较为简单合理.     

混凝土静力与动力损伤本构模型研究进展述评

对混凝土材料在静力和动力载荷作用下的损伤本构关系模型进行了评述.梳理了混凝土本构关系研究的历史脉络和逻辑脉络;归纳总结了在混凝土本构关系研究发展过程中具有代表性意义、并且对重大工程建设具有参考意义的若干混凝土静力和动力损伤本构模型.基于对混凝土材料非线性及随机性的理解和诠释,阐述了混凝土静力和动力本构关系研究的发展趋势.      

塑性、断裂及损伤力学在建立混凝土本构模型中的应用

混凝土的力学性质复杂多变,要寻找一个全面的数学模型描述这些现象非常困难.本文扼要介绍近十多年来通过非线性弹性、塑性、断裂与损伤力学等数个固体力学分支在混凝土本构理论研究中的一些应用.     

考虑裂纹闭合效应的岩石损伤本构关系

岩石中的预存裂纹只有在一定的法向压应力即裂纹闭合应力的作用下才可能闭合，其闭合过程与其方位和外加应力场有关，并且，即使对于裂纹已经完全闭合的岩石，如果裂纹闭合应力不同，则岩石的应力应交关系也不相同。本文建立了考虑裂纹闭合效应的岩石细观损伤力学模型，分析了裂纹闭合应力对岩石损伤演化过程和应力应变关系的影响。数值结果表明裂纹闭合应力显著地改变岩石的应力应变关系，表现为随裂纹闭合应力的增加，岩石的轴向应变变化较小，侧向应变和体积应变则大为增加。     

基于内聚区模型的连续油管韧性断裂研究

依据连续油管用CT80钢的三点弯曲试样的断裂实验,通过基于改进Levenberg-Marquardt优化算法的反演分析确定了CT80钢的内聚区模型参数,为连续油管的韧性断裂研究提供了有效的内聚区模型.将所确定的最优内聚区模型通过UMAT嵌入ABAQUS软件,建立了井筒内含环向穿透裂纹连续油管的有限元模型,模拟了有内压和无内压条件下裂纹韧性的扩展规律.通过研究含裂纹连续油管的加载面轴向力随加载位移的变化,确定了连续油管的临界穿透裂纹尺寸,为连续油管的\"先漏后断\"评定提供依据.结果表明:内压使裂纹更容易扩展,且裂纹的初始尺寸越小,内压的作用越明显;内压对临界穿透裂纹尺寸会产生显著影响,承受30MPa内压的连续油管,在轴向极限拉力作用下的临界穿透裂纹尺寸仅为无内压情况下的52.7％.     

在应力空间描述岩体损伤本构关系的一种模型

在分析岩体经观和宏观损伤特征及其与岩体非弹性变形之间关系的基础上,运用损伤面来定义生－－损伤准则,建立了在应力空间描述岩体损伤本构关系一种模型,并对该模型在工程中的应用进行了讨论。     

多晶金属材料的三维组集式弹塑性本构模型

本文从分析多晶金属材料的细观组织在弹塑性变形中的贮能和耗能机制入手,提出一个三维组集式弹塑性本构模型。该模型将材料单元抽象成沿三维空间各方向均匀分布组件的集合体,方向组件反映材料的细观性态并在宏观上协调变形,所有方向组件的内力总效应构成宏观应力。文中导出了显式的弹塑性本构关系,并与Budiansky的复杂加载试验结果及其它塑性模型进行了对比。     

数学网格和物理网格分离的有限单元法(II):粘聚裂纹扩展问题中的应用

强化有限单元法将物理网格与数学网格分离开来,可以方便地描述非连续变形;粘聚区域模型是模拟断裂过程区作用最简单有效的方法,且可以避免裂纹尖端的应力奇异性.本文以平面问题为例,将强化有限单元法与粘聚区域模型相结合,利用富集数学节点描述任意粘聚裂纹扩展过程中的非连续变形问题,提出了裂纹扩展过程中数学节点富集和数学单元定义的方法.本文还导出了与平面4～8节点平面等参单元对应的8～16节点粘聚裂纹单元列武.最后,通过三点弯梁的裂纹扩展过程模拟验证了本文提出的粘聚裂纹扩展模拟方法的有效性.     

CRACK PROPAGATION IN POLYCRYSTALLINE ELASTIC-VISCOPLASTIC MATERIALS USING COHESIVE ZONE MODELS

Cohesive zone model was used to simulate two-dimensional plane strain crack propagation at the grain level model including grain boundary zones. Simulated results show that the original crack-tip may not be separated firstly in an elastic-viscoplastic polycrystals. The grain interior's material properties (e.g. strain rate sensitivity) characterize the competitions between plastic and cohesive energy dissipation mechanisms. The higher the strain rate sensitivity is, the larger amount of the external work is transformed into plastic dissipation energy than into cohesive energy, which delays the cohesive zone rupturing. With the strain rate sensitivity decreased, the material property tends to approach the elastic-plastic responses. In this case, the plastic dissipation energy decreases and the cohesive dissipation energy increases which accelerates the cohesive zones debonding. Increasing the cohesive strength or the critical separation displacement will reduce the stress triaxiality at grain interiors and grain boundaries. Enhancing the cohesive zones ductility can improve the matrix materials resistance to void damage.     

准脆性材料黏聚阻裂的计算与实验

工程常用材料铸铁混凝土等,在裂缝前端区域有微观及宏观缺陷的变化及能量耗散,表现为准脆性损伤断裂特点.若把该阻止裂缝扩展与张开的损伤发展区简化成虚拟裂纹,将存在裂纹黏聚分布力与变形或张开位移;讨论了与此相关的黏聚裂纹力学模型及方程解答说明.相应于黏聚张开位移有微细观测图与实验测试数据,给出黏聚裂纹模型的解析计算方法,并将理论计算与实验测试数据进行了对比.以双K断裂准则和黏聚模型为基础,给出对含裂纹结构的承载力的预估计算.理论计算比较符合实验结果.     

基于内聚力理论的二维二次界面单元在ABAQUS中的UEL程序实现

依据有限元理论,结合内聚力模型法则,推导出二维二次粘结界面单元在大位移情况下的数值格式,得到用形函数表示的单元位移模式、载荷向量和刚度矩阵,并进行了离散化。基于ABAQUS软件的自定义扩展模块,编制了相应的用户单元子程序UEL,通过数值算例验证了该程序的准确性和有效性。这一成果能为在ABAQUS软件中开展相关数值研究,以及开发其他类型的内聚力界面有限单元提供思路和参考。     

多裂纹扩展分析的边界元方法

采用边界元数值模拟和即时等效材料常数计算相结合的办法,只需模拟一个裂纹的扩展情况便可预测裂纹体的整体响应.针对准脆性材料的特点,采用粘性裂纹模型模拟裂纹开裂行为;采用二次裂纹扩展量作为增量控制变量,避免了软化及失稳分析中用力或位移作控制变量时遇到的困难.针对二次裂纹扩展路径未知情况,给出了预测和修正裂纹开裂界面的迭代技术.分析计算了含多个规则分布裂纹石膏板受压时的响应,并与实验结果进行了比较.结果表明该文方法的可行性与有效性.     

一种TiNi合金本构在ABAQUS中的引入

从简化的Tang模型出发,基于塑性理论的假设把简化后的模型推广到了三维空间. 利用ABAQUS/Standard模块所提供的材料本构接口程序UMAT把新的模型引入其中,以伪弹性TiNi合金板状试件的准静态拉伸实验为例,进行了数值模拟. 通过对比实验中的物理量与数值模拟结果,说明了采用方法的合理性.     

裂纹扩展过程中线性内聚力模型计算的半解析有限元法

提出了求解基于线性内聚力模型的平面裂纹扩展问题的半解析有限元法,利用弹性平面扇形域哈密顿体系的方程,通过分离变量法及共轭辛本征函数向量展开法,推导了一个环形和一个圆形奇异超级解析单元列式,组装这两个超级单元能准确地描述裂纹表面作用有双线性内聚力的平面裂纹尖端场。将该解析元与有限元相结合,构成半解析的有限元法,可求解任意几何形状和载荷的基于线性内聚力模型的平面裂纹扩展问题。典型算例的计算结果表明本文方法简单有效,具有令人满意的精度。     

STOCHASTIC ELASTO-PLASTIC FRACTURE ANALYSIS OF ALUMINUM FOAMS

Model I quasi-static nonlinear fracture of aluminum foams is analyzed by considering the effect of microscopic heterogeneity. Firstly, a continuum constitutive model is adopted to account for the plastic compressibility of the metallic foams. The yield strain modeled by a two- parameter Weibull-type function is adopted in the constitutive model. Then, a modified cohesive zone model is established to characterize the fracture behavior of aluminum foams with a cohesive zone ahead of the initial crack. The tensile traction versus local crack opening displacement relation is employed to describe the softening characteristics of the material. And a Weibull statistical model for peak bridging stress within the fracture process zone is used for considering microscopic heterogeneity of aluminum foams. Lastly, the influence of stochastic parameters on the curve of stress-strain is given. Numerical examples are given to illustrate the numerical model presented in this paper and the effects of Weibull parameters and material properties on J-integral are discussed.     

Thermoelastoplastic deformation of a thick-walled cylinder with a radial crack

The thermoelastoplastic fracture mechanics problem of a thick-walled cylinder subjected to internal pressure and a nonuniform temperature field is solved by the method of elastic solutions combined with the finite-element method. The correctness of the solution is provided by using the Barenblatt crack model, in which the stress and strain fields are regular. The elastoplastic problem of a cracked cylinder subjected to internal pressure and a nonuniform temperature field are solved. The calculation results are compared with available data. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 49, No. 3, pp. 173–183, May–June, 2008.