基于内聚力模型的再生沥青混合料低温断裂性能研究

内聚力模型(CZM)在沥青混凝土开裂研究中得到了广泛应用,但采用内聚力模型对再生沥青混凝土断裂的研究还很少。本文采用随机算法和坐标控制法建立包含旧集料和新集料的再生沥青混合料半圆弯拉模型,将模型分为集料同分布模型和集料随机分布模型两类。研究-10℃时不同RAP掺量(0、25%、50%、75%、100%,质量分数)对再生沥青混合料SCB试件应力强度因子K_(IC)、断裂能G_(F)和抗裂指数I_(CR)的影响。研究结果表明:无RAP掺入的SCB试件具有较好的断裂性能;随着RAP掺量增大,应力强度因子K_(IC)、断裂能G_(F)和抗裂指数I_(CR)均减小,表明RAP的掺入会削弱沥青混合料的低温断裂性能;采用有限元模型得到的断裂参数与室内试验结果一致;相比于集料同分布模型,集料随机分布模型各评价指标的变异性系数整体更大,表明集料分布状态对开裂结果有一定影响;当计算样本足够多时,这两类模型获得的抗裂参数变化规律一致,可有效评价再生沥青混合料断裂性能。

基于内聚力模型的汽轮机末级叶片涂层裂纹扩展数值模拟

为探究汽轮机末级叶片基体与涂层结合强度和分析涂层裂纹萌生及扩展规律,基于双线性内聚力模型理论,建立了基体-涂层界面裂纹扩展计算力学模型,采用有限元仿真方法模拟了汽轮机末级叶片熔覆涂层脱落情况。结果表明,涂层和基体材料参数会影响涂层脱落时的裂纹扩展规律和力学响应;适当增大基体材料弹性模量和减小涂层材料弹性模量能延缓水蚀过程中涂层的失效时间;增大涂层和基体材料弹性模量,能提高涂层与基体结合界面在裂纹扩展中所能承受的最大应力,进而提升涂层与基体结合界面的耐冲击能力。

基于Roe-Siegmund循环内聚力模型焊趾疲劳裂纹萌生仿真

为建立焊趾疲劳裂纹萌生行为仿真方法,基于Roe-Siegmund循环内聚力模型对ABAQUS进行二次开发,形成用于反映疲劳累积损伤的VUMAT子程序,依据文献方法及试验数据获取Q345焊接区域材料的内聚力参数,通过Voronoi图法和内聚力单元法生成具有疲劳累积损伤特性和晶粒特征的微观模型,并与宏观对接焊缝模型合并,进行多尺度疲劳裂纹萌生仿真模拟,获得裂纹萌生路径、临界循环次数及晶粒力学响应特征.结果表明,此方法能够自发地选择符合实际情况的裂纹萌生位置以及短裂纹扩展路径,完成对焊接区域材料微观断裂过程的模拟,不同仿真组获取的临界循环次数存在于一定的分布范围内,模型中的累积内聚力长度需通过试验数据进行拟合.

钢-ECO混凝土交界面力学性能及内聚力模型研究

近年来,经济节能优化型混凝土(Ecology Conservation Optimization Concrete,简称ECO混凝土)由于自身优异的性能在钢桥面铺装工程中受到青睐,但其与钢板交界面的力学性能鲜有研究,从而制约了其进一步的广泛应用。为了研究钢-ECO混凝土交界面的力学性能,设计制作3个钢-ECO混凝土交界面试件进行四点弯曲试验。试验结果表明:相比普通的钢-混凝土交界面,钢-ECO混凝土交界面的黏结强度、刚度和极限张开位移分别提高了289.3%、368.4%和160.0%,具有更好的力学性能。此外,为准确描述钢-ECO混凝土交界面的法向开裂行为,提出一种适用于钢-ECO混凝土交界面法向开裂的内聚力模型,并基于对试验数据的回归分析和断裂边界条件确定了模型系数的取值。研究结果表明:提出的内聚力模型可以较为准确地表征钢-ECO混凝土交界面法向开裂损伤的萌生与发展过程,并能简便计算钢-ECO混凝土交界面的黏结强度、刚度、损伤起始时临界位移和临界断裂能。同时,与指数型模型相比,提出模型应用于各试件下降段的均方误差分别降低了57.3%、46.0%和72.9%,显著提高了内聚力模型的精度。研究结果可为ECO混凝土的实际工程应用提供理论依据,进一步推动ECO混凝土在土木工程领域的广泛应用。

基于统一相场理论和内聚力模型的钢纤维混凝土损伤破坏细观研究

钢纤维已成为土木工程中应用需求不断增长的增强材料,因而钢纤维混凝土(steel fiber reinforced concrete,SFRC)的损伤、断裂也是工程中亟需解决的关键问题。基于最新提出的统一相场理论和内聚力模型,建立由钢纤维、骨料、砂浆及界面过渡区构成的SFRC细观有限元模型并结合试验予以验证。针对单轴拉伸、三点弯曲等工况,考察钢纤维掺量和长度、骨料形状、初始切口缺陷等因素对SFRC抗拉和抗折性能的影响,对SFRC的力学性能及损伤破坏机理进行研究。结果表明:基于相场损伤模型和内聚力模型建立的SFRC细观有限元模型具有较好的准确性和可靠性;SFRC抗拉强度受钢纤维掺量的影响较大,在掺量取2%时性价比较高,比0.5%掺量时约提高34.2%,骨料形状和钢纤维长度的影响较小;SFRC抗折强度受钢纤维掺量及切口深度的影响较大,掺入0.2%、0.35%和0.5%的钢纤维使SFRC切口梁承载力分别提高了20.7%、38.9%和63.7%,相比切口深度为25 mm的SFRC切口梁,切口深度为40 mm和55 mm的SFRC切口梁承载力分别降低了19.9%和39.8%。供钢纤维混凝土工程分析和设计参考。

基于相场耦合内聚力模型的身管镀层剥落数值模拟

身管武器在使用过程中其内膛镀层会发生剥落现象,缩短身管武器使用寿命,该现象的机理尚未明确。为研究身管武器内膛镀层剥落现象,提出一种相场耦合内聚力模型的数值模拟方法。考虑到相场具有的连续介质力学特性在裂纹扩展模拟中的优越性以及内聚力模型在多相材料界面损伤模拟中的普遍适用性,针对身管武器镀层和基体内部的裂纹扩展行为使用相场进行模拟,而针对基体和镀层界面的损伤使用内聚力模型进行模拟。针对裂纹在界面处发生偏转的现象,开展一条裂纹和两条裂纹发生扩展的有限元仿真,并与试验结果进行对比;研究镀层存在多条裂纹时不同裂纹间距对界面损伤的影响;此外还讨论了相场特征长度对裂纹扩展行为的影响。研究结果表明:当裂纹扩展至基体和镀层界面时会转而沿界面向两侧扩展,最终演化为界面失效;当多条裂纹扩展至界面处时,界面损伤主要发生在多条裂纹之间的区域,最终演化为镀层剥落;裂纹间距对界面的初始损伤和界面损伤发展速度存在影响;新提出的相场耦合内聚力模型的数值模拟方法可以作为研究身管镀层失效机理的计算方法。

基于内聚力模型数值算法的无砟道床变形与损伤分析

针对高速铁路无砟道床层间黏结数值模拟问题,推导混合断裂模式双线性内聚力模型,提出有限元分析框架下的双线性内聚力模型(CZM)数值算法,通过与有限元软件计算结果对比,验证算法的正确性。基于所提出算法,以内聚力单元模拟层间界面,建立CRTSⅢ型板式无砟道床有限元模型,分析温度梯度荷载作用下结构变形与层间损伤规律。结果表明:所提出CZM数值算法与有限元软件计算结果一致,可以反映内聚力单元在受拉、受剪、受拉剪模式下的力学与损伤特性;在-50~100℃/m温度梯度范围内,正温度梯度荷载作用下轨道板垂向位移可达0509 mm,负温度梯度荷载作用下则可达0409 mm;轨道板与自密实混凝土层层间损伤受正温度梯度影响大,层间损伤萌生于板角并向板中发展,温度梯度为972℃/m时层间黏结局部失效。

基于内聚力模型的气波机振荡管304对接钎焊接头拉伸强度研究

气波机核心部件振荡管采用钎焊连接,钎焊接头拉伸性能对气波机结构强度具有重要影响。为了对钎焊接头界面裂纹扩展过程进行探究,笔者针对气波机振荡管钎焊结构,制备304对接钎焊接头试样进行拉伸试验,并对拉伸断口进行形貌分析,断口处表现为韧性断裂;基于内聚力模型,开发了VUMAT子程序,进行了有限元模拟分析。模拟断裂载荷为5 039 N,试验值为5 242 N,2者误差为3.9%,验证了模拟的准确性,结果表明内聚力模型可以较好地模拟气波机振荡管钎焊接头的裂纹萌生与扩展过程。在此基础上研究焊缝缺陷对钎焊接头断裂载荷的影响,发现缺陷处内聚力单元损伤速率加快,引起断裂载荷显著下降。

基于内聚力模型的钢-铝胶接接头失效分析

胶接与铆接、焊接和螺接等机械连接相比,具有应力集中水平较低、疲劳寿命优良、工艺简单、成本低廉等优点,在航空航天和兵器装备等领域发挥重要作用。本文以胶接的钢-铝接头为研究对象,围绕接头脱粘失效机理和演化规律开展研究,建立胶层内聚力模型,描述其失效力学行为,基于瞬态动力学模型对拉伸剪切载荷下的胶层失效扩展过程进行分析,给出接头变形和应力分布规律,创建典型参考点,利用损伤因子SDEG揭示胶层损伤机理和演化过程。研究结果为优化结构设计和复杂胶接结构力学性能分析奠定坚实基础。

基于内聚力模型的盾构管片承载能力测试方法分析及评估:以福州滨海快线地铁项目为例

盾构管片的结构性能对于盾构法施工隧道的安全及正常服役有着至关重要的作用,因此有必要对盾构管片的受力性能进行详细的研究及了解。目前,针对盾构管片结构承载能力的试验测试方法主要有原型管片测试法以及更为经济的对称倾角梁测试法。为研究对称倾角梁所得的盾构管片承载性能与实际原型管片承载性能间的关系,基于内聚力模型,考虑混凝土缝间摩擦以及钢筋-混凝土界面法向分离,分别建立了混凝土潜在断裂面以及钢筋混凝土界面本构模型,提出了一种适用于盾构管片承载力分析的钢筋混凝土结构断裂损伤全过程数值分析模型,并基于已有的盾构管片原型试验对模型进行了检验。最后,基于福州滨海快线地铁项目所用的典型管片,采用已建立的模型分析了原型管片试验与对称倾角梁试验所得管片承载力间的关系,并对结果进行了分析及评估。

内聚力模型应用研究

由于塑性或微裂纹的存在,在裂纹尖端存在的非线性区域称为内聚区。假设材料的断裂破坏主要取决于拉应力的情况下,内聚力模型可以用来解决任何材料或构件的断裂问题。通过对内聚力模型的起源、特点以及模型参数的选择介绍,据此总结讨论内聚力模型在应用中面临的主要问题,如需进一步提高其结构完整性评估能力,应健全模型参数选择及仿真的标准化工作,提升内聚力模型的广泛适应性,以及研究形成裂纹生长定量描述机制等。

基于钢丝绳内聚力模型参数的构件与验证

为了确定双线性钢丝绳内聚力模型法向、切向、临界应力等参数值,文章提出了一种基于钢丝绳内聚力模型的构建与验证的方法。首先建立内聚力理论模型,分析法向、切向拉伸粘合强度与位移的变化关系;然后通过小型硫化装置制备法向和切向拉伸粘合强度测定实验试样,使用万能拉伸试验机对参数进行测定。最后基于实验结果提取的双线性内聚力模型参数值,使用有限元仿真软件ABAQUS对实验过程进行模拟仿真验证。实验结果显示仿真结果与实验结果最大误差约为2.7%,准确测定所需的钢丝绳-橡胶粘合界面的内聚力参数,适用于描述钢-橡胶界面的粘合、失效等情况。

基于数据驱动的纳米烧结银内聚力模型参数反演与预测

纳米烧结银具有高熔点、高电导率、高热导率和低温无压烧结等优点,已经在第三代功率半导体封装互连中得到了广泛应用。纳米烧结银对烧结工艺和尺寸高度敏感,因此对纳米烧结银力学性能的反演和精确预测服役寿命是该领域的焦点问题。内聚力模型是一种典型的模拟粘结材料失效破坏的方法,已在不同领域得到广泛应用,该方法也能很好地将纳米烧结银的断裂失效考虑为连续的损伤过程,进而应用于复杂条件下功率器件纳米烧结银封装互连层的失效模拟和预测。

轨道板与砂浆粘结试验及内聚力模型参数研究

研究目的:目前轨道板与CA砂浆层离缝损伤是我国CRTSⅡ型板式无砟轨道主要损伤形式,本文为研究砂浆层离缝损伤机理,制作混凝土和砂浆复合试件进行劈拉和剪切模型试验,采用数字图像相关(DIC)技术得到加载过程的层间应变场分布,分析得到内聚力模型参数,并采用有限元软件计算内聚力模型参数且与试验结果进行对比验证,得到轨道板与砂浆层间力学特性及其破坏模式。研究结论:(1)DIC技术能较好地描述复合试件的层间应变场分布,以及层间损伤、裂纹萌生、扩展及破坏的全过程;(2)轨道板与砂浆层间粘结破坏属脆性破坏,层间法向和切向张力-位移关系均表现为双线性关系;(3)轨道板与砂浆层间参数可取法向内聚强度1.792 MPa、界面刚度708.485 MPa/mm、临界断裂能0.025 2 mJ/mm^2,切向内聚强度0.956 MPa、界面刚度63.039 MPa/mm、临界断裂能0.018 mJ/mm^2;(4)本研究成果可用于分析轨道板与砂浆层间损伤开裂行为,可为Ⅱ型板式轨道结构的设计及维修提供理论依据。

内聚力模型在结构胶接强度分析中的应用

采用内聚力模型,对铝板环氧树脂胶接接头进行强度分析,模拟胶层加载过程中胶层单元失效扩展,并进行胶接接头力学实验与仿真结果对比,证明此方法的有效性;并将此方法运用于预测某复杂结构铝管胶接接头强度,为工程上合理选择胶接材料和快速估算胶接接头的承载能力提供了参考。

基于内聚力模型的沥青混合料劈裂试验模拟

为了深入分析沥青混合料在荷载作用下的破损机理,引入了内聚力模型.使用双线性内聚力模型模拟了沥青混合料劈裂试验过程,比较并分析了数值模拟结果和试验结果,研究了劈裂试验过程中试件纵轴上的法向应力分布、损伤规律以及裂缝的形成和扩展情况,描述了劈裂试验的全过程.结果表明:双线性内聚力模型数值模拟结果和试验结果相当吻合,因而可以用来模拟沥青混合料的损伤断裂行为;劈裂试件纵轴上两端为压应力,中间为拉应力,且试件两端产生了显著的压应力集中;试件纵轴上的损伤值和损失长度随着荷载的增加而增加;纵轴中间的损伤值达到1时,试件中就会产生一定长度的宏观裂缝,而后裂缝向两端扩展,但扩展速率逐渐减小.

基于内聚力模型的高心墙堆石坝坝顶裂缝模拟及其成因分析

将基于弹塑性断裂力学的内聚力模型引入有限元法,采用非线性界面单元,通过定义界面单元的法向和切向应力与张开和滑移变形之间的关系描述裂缝发生后的界面力学特性,模拟某高心墙堆石坝的坝顶裂缝。计算过程中考虑筑坝材料的流变和湿化变形。研究结果表明:基于内聚力模型的有限元法计算出的裂缝与实际情况比较吻合。采用该方法计算了蓄水期之后3年的坝顶裂缝,裂缝变化幅度微小,较为稳定,且并未深入心墙。在首次蓄水的过程中,上游堆石流变和湿化变形较大,上下游坝壳料沉降不均匀程度也较大,因此,坝体变形不协调导致坝顶出现纵向裂缝。

基于内聚力模型的铝/丁羟胶粘接界面力学研究

通过建立双线性内聚力模型,研究了Al/HTPB双悬臂梁形式粘接件的I型断裂行为,并通过数值仿真双悬臂梁载荷-位移曲线与试验曲线相匹配的分部反演数值方法,获得了双线性内聚力模型中的2个重要内聚参数。通过与线弹性断裂力学下经典梁理论方法得到的断裂韧性相比,表明反演获得的参数更加真实地反映了材料的粘接性质,并分析了经典梁理论方法得到的断裂韧性参数不准确的原因。通过Al/HTPB粘接件的单轴拉伸试验,对所建立的内聚力模型及获得的相关参数的正确性进行了验证。结果显示,所建立的内聚力模型能够很好地预测粘接件的力学行为,可作为HTPB推进剂进一步的细观力学研究的基础。

基于内聚力模型的圆形夹杂与基体界面渐进脱粘分析

采用ABAQUS中基于内聚力模型的Surface-based cohesive方法,对圆形夹杂和基体的二维界面脱粘问题进行了数值分析,通过数值模拟再现了界面的脱粘过程和多个夹杂相互作用对脱粘过程的影响。模拟结果表明,其加载过程的力学行为可划分成3个阶段:无脱粘阶段、渐进脱粘阶段和完全脱粘后。对颗粒复合材料界面脱粘的研究有一定的理论和工程参考价值。

基于内聚力模型的T型钎焊接头裂纹扩展数值模拟

钎焊接头的钎缝是板翅式回热器中的薄弱环节,最容易产生裂纹。通过有限元模拟和试验相结合的方法得到T型316L/BNi-2钎焊接头的内聚能Gc和损伤起始应力σmax,并使用内聚力模型研究了接头的裂纹起裂和扩展过程。模拟结果与试验结果吻合较好,表明内聚力模型可以很好地预测316L/BNi-2 T型钎焊接头的裂纹起裂和扩展过程,且可以将其用于钎焊接头裂纹扩展规律的研究。此外,模拟结果还表明,提高母材屈服强度可以明显地改善钎焊接头的抗开裂能力。