孔洞增长层裂模型的改进及其在模拟不同加载波形层裂实验结果方面的应用

冲击波在靶板自由面反射导致靶板材料内部产生动态拉伸层裂损伤是材料的典型损伤破坏形式之一,材料的初始微结构、冲击加载的强度和应变率、温度等因素直接影响材料内部的损伤演化过程。靶板自由面速度曲线变化间接反映材料内部损伤的演化过程,在层裂损伤物理模型研究方面,目前采用适宜的层裂损伤模型较好地模拟不同冲击加载波形下靶板自由面速度曲线的相关文献很少,主要借助实验手段探讨加载波形与自由面速度曲线变化以及层裂损伤演化过程之间的关联。对于孔洞增长层裂损伤模型,通过解析加载应变率与层裂强度以及损伤模型初始损伤参数之间的相互关系,给出了模型初始损伤参数的计算方法,有效地将损伤模型初始损伤参数与加载应变率关联在一起。该计算方法不仅可以较好地模拟方波、三角波以及泰勒波冲击加载铝材料层裂实验的自由面速度曲线,同时,计算得到的层裂强度和层裂片厚度也与实验结果符合。此外,还进一步分析了靶板内部不同位置的初始损伤、层裂强度的分布与应变率之间的关联,以及其对自由面速度曲线的影响。

磁电弹性材料中含有带四条裂纹的正方形孔的反平面断裂问题

针对反平面剪切力作用下,磁电弹性材料中含有带四条裂纹的正方形孔口的断裂问题进行了深入地探索。基于线弹性断裂理论和Riemann-Schwarz解析延拓定理,利用复变函数方法和留数定理,通过构造合适的数值保角映射函数,将解析函数边值问题转化为柯西积分方程组进行解答,获得了磁电非渗透边界条件下裂纹尖端断裂力学参数的显式表达式。通过与已有结果的对比,验证了方法的有效性。利用数值算例描述了孔洞尺寸、四条裂纹长度和机–电–磁载荷等因素对裂纹扩展参数的影响规律。结果表明:水平右裂纹对孔口裂纹扩展影响更显著;垂直裂纹影响水平裂纹的扩展趋势;在磁电非渗透边界条件下,随着机械载荷的增大,裂纹尖端的应力强度因子变大,而电载荷和磁载荷对裂纹的扩展与机械载荷的大小和方向密切相关。该分析方法为求解复杂多连通域的智能复合材料问题提供了一条有效途径,研究成果为含裂纹的复合材料或结构的优化设计提供了科学依据。

分层一次爆破成井精确延时爆破参数研究

为了研究精确延时微差起爆对一次成井分层爆破效果的影响,理论计算了层内孔间微差时间,利用LS-DYNA软件,采用JH-2岩石模型,模拟了大直径深孔一次成井爆破中的精确延时分层起爆,分析了井筒岩石的损伤演化过程,试验验证了延期时间参数。结果表明,层间采用18 ms延期时间时,爆破效果最佳。结合理论分析和数值模拟结果确定了一次成井的延期时间方案。井筒的成形大致相似,其特征截面面积相似度在83.4%~96.6%之间。通过理论分析、数值模拟和现场试验获得了一次爆破成井工程的精确延时微差分层爆破方法,具有实际应用价值。

基于断裂相场的高分子黏结炸药裂纹演化及其力学性能退化分析

为了解高分子黏结炸药裂纹演化过程及其力学行为,综合考虑弹性、黏性以及热特性的影响及作用机制,提出了该材料热黏弹性断裂相场模型。基于断裂相场,建立了热黏弹性体的单一单元模型,对不同温度和应变率进行参数分析。然后,针对高分子黏结炸药开展该材料断裂相场的模拟及其模型参数校准。从而基于断裂相场在细观层面上阐明不同应变率、不同环境温度作用下高分子黏结炸药材料的裂纹演化及其力学性能退化的规律。结果表明,驱动断裂的能量和抗压强度随着应变率降低和温度的升高而呈现出减小的趋势,因此裂纹出现的时间越晚,扩展速度越慢。

应力场常数项对Ⅰ型裂纹起裂扩展行为影响

对含裂纹材料与结构断裂力学评估中的最大环向应力准则(MTS)、最小应变能密度因子准则(SED)和平均应变能密度准则(ASED)以及在此基础上考虑应力场常数项影响修正的断裂准则进行介绍;基于考虑裂尖应力场奇异项和常数项的修正MTS准则、修正SED准则和修正ASED准则,对比分析了裂尖应力场常数项对Ⅰ型裂纹的起裂扩展行为,探究了裂纹尖端应力场常数项以及材料泊松比对Ⅰ型裂纹偏折、断裂极限的影响规律,掌握了应力场常数项对Ⅰ型裂纹偏折、起裂扩展影响阀值。研究结果表明,裂纹尖端应力场常数项T应力对Ⅰ型裂纹起裂扩展偏折角及断裂判据的影响不可忽略,研究结果可为含裂纹材料与结构断裂力学评估提供一定参考。

基于ABAQUS平台考虑T应力的Ⅰ型裂纹扩展模拟开发

工程结构在制造工艺过程中或使用期间会产生裂纹,对结构断裂路径的预测和研究是防治工程安全问题发生的重要手段。在考虑裂纹尖端应力场常数项T应力的基础上对传统的最大周向应力准则(Maximum tangential stress criterion,MTS)和最小应变能密度因子准则(Minimum strain energy density criterion,SED)进行修正,采用Python语言对ABAQUS的前、后处理和有限元计算模块进行二次开发,通过计算最优解的粒子群算法(Particle swarm optimization,PSO)将修正后的准则编入裂纹自动扩展程序脚本中。利用上述二次开发程序对初始纯Ⅰ型裂纹的扩展路径进行模拟,结果表明:采用ABAQUS脚本程序模拟结果与相关文献实验结果吻合,表明了程序的有效性,进而实现考虑T应力的多种断裂准则对裂纹扩展路径的预测;当T应力值处于一定范围内时,修正的MTS准则无法预测裂纹发生的偏转现象,扩展路径呈直线,此时可采用修正的SED准则进行预测。

一维六方压电准晶双材料椭圆孔边不对称裂纹断裂行为

基于一维六方压电准晶理论,利用复变函数方法研究了一维六方压电准晶双材料椭圆孔边不对称裂纹的反平面问题。利用保角变换将椭圆孔孔边裂纹问题转化为直裂纹问题,结合Stroh公式求解得到电不可通和电可通两种条件下场强度因子和能量释放率的解析表达式。数值算例结果显示:一维六方压电准晶双材料界面Griffith裂纹比椭圆孔边裂纹更易促进裂纹扩展;考虑相位子场可使能量释放率变化更显著,表明压电准晶材料相比压电材料更脆。此研究可为压电准晶元件的设计和制备提供理论依据。

磁电弹性体中正三角形孔口快速传播裂纹问题分析

目的探索含运动缺陷的磁电弹性材料的力学性能和断裂机理。方法基于磁电弹性材料断裂理论和广义复变函数理论展开力学行为研究,通过作伽利略变换,将磁电弹性材料的断裂问题转化为稳定裂纹动力学问题进行解答。结果获得了磁电非渗透边界条件下裂纹尖端处动态应力强度因子以及机械应变能释放率的解析表达式。结论磁电弹性材料损伤、断裂现象的发生不仅受缺陷的几何参数和损坏载荷的影响,还与缺陷的运动速度有密切关系。

垂直于一维六方准晶双材料界面裂纹的反平面问题

利用Fourier变换方法和切比雪夫多项式展开法,研究垂直于一维六方准晶双材料界面裂纹的反平面问题。给出合理的边界条件,将垂直裂纹问题转化为奇异积分方程组的求解,再引入位错密度函数,由切比雪夫多项式法求得问题的数值解。

原子尺度断裂模拟进展

材料/结构的断裂是一个多尺度过程,绝大多数断裂过程都涉及到原子键的断裂,因此原子尺度的演化对材料的宏观断裂行为有重要影响.随着实验技术的飞速进步,高清电子显微镜已经可以观察到原子尺度的裂纹,而计算能力的日渐强大使得原子尺度模拟成为揭示实验现象背后的断裂机制、研究众多典型纳米结构材料断裂行为的有力工具.在本综述文章中,首先介绍了原子尺度断裂模拟的加载方法,包括均匀加载、速度梯度加载、K场加载和静水应力加载,并综合对比了上述加载方法的适用范围,然后给出了基于原子尺度信息定量计算断裂韧性的方法,包括能量释放率法、线下面积积分法、临界应力强度因子法、原子尺度内聚力模型法和原子尺度J积分法.随后介绍了近年来有代表性的不同类型的纳米结构材料(包括单晶、多晶、孪晶等晶体结构,非晶结构,异质界面结构)断裂行为模拟研究,例如钝化处理的单晶硅太阳能电池裂纹抗力大大增加、锂离子电池中锂化浓度控制的硅电极韧脆转变、错配应力驱动界面自发分层一步制备大尺度纳米硅片.这些研究结果揭示了实验现象背后的机理,同时和实验结果的一致性也印证了原子尺度模拟的可靠性与准确性.最后强调了原子尺度模拟面临的一些问题和挑战,并对将来的发展方向进行了展望.

汽车用先进高强钢本构模型与韧性断裂模型研究进展

轻量化是当前汽车行业全产业链共同面对的课题,提高先进高强钢使用比例是实现汽车轻量化的有效手段。对先进高强钢本构模型与韧性断裂模型的充分研究有助于提高先进高强钢开裂分析和预测的准确性,从而推动先进高强钢工程的应用进程。目前,在先进高强钢的研究过程中,学者们通常通过多种应变强化模型的线性组合,或结合微观结构与宏观力学行为进行多尺度分析来建立本构模型;通过多种应力状态下的准静态拉伸实验以及使用仿真与实验混合的方法来标定韧性断裂模型的参数。以第三代先进高强钢中的淬火配分(QP)钢为重点讨论对象,介绍了制备工艺与材料特性及其相关研究进展,并介绍了QP钢本构模型的研究现状、新近发展的非耦合韧性断裂模型以及考虑了应力三轴度和罗德角参数影响的韧性断裂模型在先进高强钢上的应用现状,最后指出了先进高强钢本构模型和韧性断裂模型未来的研究方向。

基于图像八叉树的三维比例边界有限元多面体网格生成算法

基于图像八叉树方法,提出了平衡八叉树和多面体网格修剪相结合的三维比例边界有限元多面体网格算法,该算法根据结构尺寸建立恰好完全包含整个结构的立方体网格,再建立结构图像像素信息,根据像素信息,按照2∶1的平衡分割原则递归地进行等分,完成平衡八叉树网格生成。结构内单元网格完全保留,结构外单元网格删除,对于结构边界单元网格,提出采用面-立方体相交判断方法进行边界单元与结构边界相交面的筛选,搜寻结构单元与结构边界表面相交点,通过有序连接相交点形成边界单元切割面,再结合边界单元其他几个面,构成裁剪后的多面体单元。数值算例结果表明,基于本文算法生成的比例边界有限元网格计算结果具有较好的精度和边界适应性。

基于SVR的2195铝锂合金FSW接头疲劳裂纹扩展寿命预测

为了对搅拌摩擦焊(Friction stir welding,FSW)焊接结构进行快速准确的裂纹扩展寿命预测,提出了一种基于支持向量回归(Support vector regression,SVR)的2195铝锂合金FSW接头疲劳裂纹扩展寿命预测方法。首先,通过疲劳裂纹扩展试验和有限元仿真得到Paris裂纹扩展模型常数及裂纹尖端应力强度因子数据集;然后基于SVR模型建立应力强度因子预测模型,并采用粒子群优化(Particle swarm optimization,PSO)算法优化SVR模型的超参数;最后,基于构建的应力强度因子预测模型和Paris模型进行裂纹扩展寿命预测。结果表明:优化后的PSO‑SVR模型能够快速、准确地预测裂纹尖端应力强度因子,在测试集上的决定系数R2可以达到0.9995,高于未优化SVR模型的0.954;该方法裂纹扩展寿命预测结果与有限元仿真结果进行对比,最大误差小于5%,验证了方法的准确性。

随机微裂纹对岩石宏观裂纹扩展的影响规律研究

岩石微裂纹控制着岩石的宏观力学特性和破裂行为,其分布具有不确定性。现有关于岩石裂纹扩展的研究侧重于确定性裂纹扩展规律研究,而随机微裂纹的影响研究不足。该文基于键型近场动力学(Peridynamics,PD)理论,引入随机分布函数预设微裂纹的几何、位置随机参数,对预设有宏观裂纹和随机微裂纹的岩石构件拉伸破坏过程进行大规模蒙特卡洛模拟,提出了物质点断裂失效概率因子(PFP)来描述物质点的破坏概率,揭示了随机微裂纹对岩石拉伸宏观裂纹扩展的影响规律。通过分析两个经典算例,分别与FEM和XFEM对比,其结果有较强的一致性。另外,该文引入了含宏观裂纹与微裂纹的岩石构件,根据微裂纹的位置、角度和长度随机分布,首次绘制不同情况下随机裂纹的PFP云图,获得了各参数对裂纹扩展的影响规律。该文首创了物质点断裂失效概率因子,定量描述微裂纹对宏观裂纹扩展的影响规律,为预测含随机微裂纹的岩石裂纹扩展研究提供了一种新思路新方法。

磁电弹性材料含纳米尺度唇口次生两不对称裂纹的反平面问题

基于Gurtin-Murdoch表面弹性理论和磁电弹性(MEE)理论,利用解析函数的保角映射技术,研究了反平面机械载荷和面内电磁载荷作用下,MEE材料中含有纳米尺度唇口次生两不对称裂纹的断裂行为,给出了缺陷(裂纹和唇口孔)周围广义MEE应力场和裂纹尖端MEE场强度因子以及能量释放率的解析解.在特殊条件下,所得结果退化为已有结果或者给出新的结果.数值算例揭示了缺陷表面效应对裂纹尖端MEE场强度因子的影响与纳米圆孔半径、唇口孔的大小、唇口次生裂纹大小,以及外加的机-电-磁载荷有关,也揭示了考虑表面效应时,无量纲能量释放率随唇口宽度、无穷远处机械载荷、电载荷和磁载荷的变化而变化.

含裂纹反应堆支承结构偏心承载能力研究

针对偏心载荷下含裂纹反应堆支承结构的安全性评定和剩余承载力评估问题,本文开展了支承结构材料断裂力学性能试验。结合数值模拟和双参数失效评定法,探讨了不同裂纹长度和载荷偏心度对支承结构承载能力的影响。结果表明:裂纹长度和载荷偏心度对支承结构的剩余承载力均有显著影响,在进行含裂纹支承结构完整性评定时要考虑载荷的偏心特点,但不同裂纹长度下的双参数失效评定曲线有较为明显的区别,不同载荷偏心度下的评定曲线差别不大;轴向拉伸载荷下的剩余承载力与裂纹长度近似为线性相关,偏心拉伸载荷下具有一定非线性特征。研究成果为核动力系统生命力评估提供方法和数据库。

考虑裂尖不同塑性状态的工业纯钛断裂参量与疲劳裂纹扩展速率模型

考虑到裂尖不同程度的塑性变形,选择合适的断裂参量并准确预测疲劳裂纹扩展速率是一项非常重要的任务。采用4种不同疲劳加载条件,通过理论计算与实验分析探究了裂纹尖端断裂参量与疲劳裂纹扩展速率之间的关联,最后通过公式与参数拟合对疲劳裂纹扩展速率预测提供合适的模型。结果表明,随着载荷比和载荷幅的提高,ΔK表征疲劳裂纹扩展逐渐失去了其合理性和有效性。裂纹扩展前期,高载荷比裂纹扩展阻力更大。在裂纹扩展后期,高、低载荷比裂纹扩展阻力差距在缩小。在所有讨论的断裂参量中,ΔJ′_(ac)是适合工业纯钛疲劳裂纹扩展的断裂参量,在此基础上提出了相应的疲劳裂纹扩展速率预测模型。

花岗岩板双基火药切槽爆破破坏过程研究

针对目前炸药切槽爆破存在非切槽方向上岩石破坏的问题,研究了双基火药切槽爆破特性。基于火药燃气释放规律,计算了双基火药被激发后密闭炮孔内的压力变化情况。结合高速摄影和数字图像相关(digital image correlation,DIC)方法,开展了炮孔的火药装填密度分别为0.84和0.96 g/cm^(3)的2组实验,探究了火药作用下花岗岩板的动态破坏过程。结果表明:火药点火后,2组实验中花岗岩板均在100μs时沿切槽方向起裂,200μs时裂纹贯穿石板;当装填密度为0.96 g/cm^(3)时,试件在断裂后上下石板分离速度较大,在封堵橡胶的摩擦力和试件惯性的共同作用下,2500μs时上下石板被横向拉裂,裂纹沿垂直方向。炮孔预制切槽为火药燃气的气楔作用提供了空间,很好地引导裂纹的扩展,孔壁周围没有形成压碎区。双基火药燃烧产生的准静态压力是裂纹起裂、扩展的主要动力。研究结果为双基火药在岩体定向爆破上的应用提供了参考。

不同割缝宽度爆生裂纹扩展行为研究

为探讨炮孔不同割缝宽度对爆生裂纹动态扩展行为的影响,采用数字激光动态焦散线实验系统和分形理论,研究了6种不同割缝宽度时爆生裂纹的扩展规律。结果表明:割缝方向的爆生裂纹长度均大于非割缝方向的爆生裂纹长度;随着割缝宽度的增加,爆生裂纹扩展长度呈现先增大后减小的变化趋势;当割缝宽度增加到0.4 mm时,主裂纹扩展长度最大,割缝宽度继续增加后,主裂纹扩展长度减小。当割缝宽度为0.2和0.4 mm时,分形维数较其他割缝宽度更大,爆生主裂纹的扩展长度较其他宽度下的扩展长度更长,试件定向断裂效果更优。随着割缝宽度的增加,割缝主裂纹的扩展应力强度因子和速度峰值呈现先快速降低再增加至二次峰值,最后振荡下降的变化趋势。割缝宽度为0.2和0.4 mm时,主裂纹应力强度因子的峰值和扩展速度峰值较其他割缝宽度更大。研究成果可为实际爆破工程中的割缝参数选择提供依据。

压载荷下Ⅰ-Ⅱ复合型中心裂纹板弹塑性屈曲载荷研究

为了研究含裂纹结构承载能力,采用有限元方法建立压载荷下Ⅰ-Ⅱ复合型中心裂纹板模型,计算裂纹板弹塑性屈曲载荷,讨论相对裂纹长度(a/w)、裂纹倾角(θ)、板宽(w)、板厚(t)、边界条件对弹塑性屈曲载荷及其变化规律的影响。对于上下夹持中心裂纹板,随着裂纹长度和裂纹倾角的增大,板宽越大,中心裂纹板屈曲载荷对裂纹越敏感,中心裂纹板承载能力受到裂纹长度和裂纹倾角的影响越明显。弹塑性屈曲载荷随着板厚的增大而增大,并且随着裂纹倾角的增大,板厚越大,屈曲载荷的下降程度越显著。上下简支中心裂纹板与上下夹持中心裂纹板的屈曲载荷变化规律基本一致,且上下夹持中心裂纹板的屈曲载荷显著大于上下简支中心裂纹板的屈曲载荷。给出不同边界条件下弹塑性屈曲载荷与相对裂纹长度、裂纹倾角的回归关系式。通过中心裂纹板弹塑性屈曲试验发现,采用压缩力学性能计算弹塑性屈曲载荷更接近试验结果,试验屈曲载荷的变化规律与有限元模拟计算结果一致。研究结果对含裂纹结构的承载能力评价具有参考价值。