基于扩展有限元、内聚力单元和单元失效的受弯钢筋混凝土梁数值模拟分析

利用Abaqus中扩展有限元法、内聚力单元和显示动力分析模块下单元失效分析钢筋混凝土梁的受弯响应,对比混凝土4点受弯梁试验和有限元分析的整体性能、损伤与失效,提出混凝土的精细化建模方法。根据模拟结果可知:扩展有限元法和内置内聚力单元模拟混凝土整体性能和拉裂行为精度较高;扩展有限元法模拟的混凝土裂纹扩展路径自由,适合对受力或相互作用复杂的混凝土进行精细化建模与损伤分析;内置内聚力单元的裂纹形成与扩展依赖单元网格密度与形状,适合在相关理论成熟或试验数据全面的基础上做影响参数分析;设置单元失效准则可同时模拟混凝土的压溃和拉裂行为,但损伤发展较快,精度偏低。

基于内聚力单元的石拱桥数值模拟

古石拱桥一般由块石砌筑而成,材料有明显的非匀质性,且古石拱桥在长期荷载作用下很容易产生累计变形改变拱圈几何形状,进而影响其结构受力,采用传统整体式有限元模型很难准确模拟古石拱桥的受力性能。因此,为精确模拟古石拱桥实际受力状态,分析承载力影响因素,采用参数化建模的方法建立两相数值模型,用内聚力单元模拟材料非线性,并通过自编程序引入初始缺陷。分析了几何参数及材料参数对拱桥承载能力和破坏模式的影响。结果表明几何参数与材料参数显著影响结构的承载能力和破坏模式,为石拱桥的设计及修复、加固工作提供依据。

基于内聚力单元的弹性涂层多颗粒冲蚀机理

基于内聚力单元建立了弹性涂层的多颗粒冲蚀模型,分析了涂层和粘结层在冲蚀作用下产生凹坑损伤后的应力分布。讨论了冲蚀密度、颗粒间距、冲蚀次数对涂层和粘结层应力分布的影响。结果表明:在同样凹坑深度损伤下,涂层表面的径向接触应力和粘结层剪切应力的最大值均位于接触区边缘处;颗粒冲蚀密度越大,涂层最大拉应力越小,越不容易产生裂纹,且涂层径向应力的最大值位于最外侧颗粒的接触边缘处;当圆心距大于两颗粒直径之和时,颗粒之间没有相互影响;多次冲蚀产生的应力小于单次冲蚀,裂纹和分层萌生的位置更加接近接触边缘。

基于零厚度内聚力单元的水力裂缝随机扩展方法研究

为有效模拟裂缝性页岩储层中水力裂缝随机扩展过程,基于单元节点的拓扑数据结构,利用网格节点分裂方式,建立了一种基于有限元网格嵌入零厚度内聚力单元的水力裂缝随机扩展新方法。利用KGD模型解析解和2种室内试验,验证了新方法的准确性和有效性。同时,通过数值算例研究了水平地应力差和储层非均质性对水力裂缝随机扩展过程的影响。研究表明:(1)该方法弥补了ABAQUS平台内置的内聚力单元无法有效模拟水力裂缝随机扩展的不足;(2)在较高水平地应力差下页岩储层非均质性越强,与水力裂缝相交的高角度天然裂缝越容易开启。所建方法能准确地描述复杂水力裂缝的随机扩展行为,可为裂缝性页岩储层的数值模拟提供新手段。

基于零厚度内聚力单元单向碳纤维增强树脂基复合材料微观切削机理研究

为探究碳纤维复合材料(CFRP)微观切削机理,通过有限元法,采用零厚度内聚力单元模拟界面相,碳纤维建模呈圆柱状并随机分布于基体中,以此来真实反应CFRP的微观结构。通过对各组成相设置不同的材料本构、材料失效和演化准则,对4种典型角度(0°、45°、90°、135°)进行直角切削仿真,探究不同纤维角度下单向碳纤维增强树脂基复合材料(UD-CFRP)在切削过程中的微观切削机理。结果表明:不同纤维角度下CFRP的微观破坏形式不同,切削0°CFRP时破坏主要以界面开裂和纤维折断为主,切削45°和90°CFRP时主要是刀具的侵入破坏,切削135°CFRP时则发生纤维的断裂和沿纤维方向的裂纹,纤维断裂点在刀刃下方。最后,通过实验验证了微观模型的准确性。

基于零厚度内聚力单元的盾构隧道接缝密封垫张开渗流行为研究

现有盾构隧道接缝渗漏水研究难以对接缝密封垫接触面在水压作用下的物理渗流特性进行准确合理的模拟。针对该现状,借鉴水力压裂的概念,将密封垫接触面的渗流问题归纳为弹性不透水介质接触面渗流问题,并且给出相应的解析解,进而提出一种基于零厚度内聚力单元的盾构隧道接缝密封垫渗流特性数值模拟新方法,对接缝密封垫接触面发生渗流时的接触面张开量和液体压力分布进行分析。研究结果表明:该方法弥补了基于接触应力理念的隧道接缝防水性能模拟方法无法有效再现水压下接触面“液体渗透—液体滞后—液体消失”三分布区域的不足;提出的综合考虑密封垫硬度、渗流时间和渗流长度的接触面静水压力计算公式合理准确。

基于内聚力单元与XFEM的热障涂层失效分析

为了更好的理解热障涂层的失效机理,文中运用ABAQUS有限元软件来分析热障涂层的失效情况,使用内聚力单元和扩展有限元(XFEM)两种方法研究热障涂层TGO界面开裂与陶瓷涂层(TC)和氧化层(TGO)内随机裂纹的萌生与扩展,研究竖直裂纹与水平裂纹的关系.结果表明,热障涂层TGO界面的开裂首先出现在TGO/TBC波谷处.陶瓷涂层和氧化层内随机裂纹的萌生同样发生在TGO/TBC波谷处.竖直裂纹的存在可以抑制水平裂纹的萌生与扩展,且其在TGO/TBC波谷处的扩展长度比在TGO/TBC波峰处的扩展长度更长,说明TGO/TBC波谷区域是个危险区域,在此区域容易引发裂纹的萌生与扩展.

基于预插内聚力单元的混凝土模型生成方法与单轴拉伸细观模拟研究

基于MATLAB软件对已有的随机骨料投放算法进行优化,编写了一套更为简便高效的骨料生成与投放程序,建立了含随机凸多边形骨料的混凝土细观模型,利用C++自编代码,完成零厚度内聚力单元的批量插入,用于模拟混凝土内部单元的损伤与开裂。根据新建的基于预插内聚力单元的混凝土细观模型,选取合理的本构关系,以物理试验结果中抗拉强度和抗拉弹性模量为指标,开展混凝土单轴拉伸细观力学模拟研究,计算结果表明新建的预插内聚力模型生成算法具有可行性和有效性。

内聚力单元参数影响因素研究

复合材料结构对内部分层极为敏感,粘聚区模型是研究复合材料分层扩展问题的一种很有前景的方法。在粘聚区模型中,内聚力单元的刚度、强度和网格密度必须合理设置,才能避免因为数值问题导致的不收敛。本文介绍了内聚力单元的参数选择方法,以改善计算中遇到的数值问题,病通过DCB试验在不同参数情况下的算例验证了不同参数设置下对计算的影响。结果表明,合理的参数设置使得有限元模型在较粗网格下能够获得良好的结果。

推进剂“脱湿”损伤研究的内聚力单元方法

内聚力单元是进行推进剂“脱湿”损伤研究的重要手段。通过分子动力学方法构建推进剂高填充比几何模型,结合周期几何和周期边界处理方法,构建推进剂细观有限元分析模型。采用内聚力单元结合PPR内聚力模型开展颗粒和基体黏接界面“脱湿”行为模拟。在单轴拉伸和纯剪试验下分析推进剂细观结构的力学响应,开展推进剂“脱湿”损伤机理研究。针对不同的体分比、应变速率以及内聚强度,开展了“脱湿”损伤影响规律分析。研究方法和研究结论可以为新一代高性能推进剂配方的研制提供有利的参考。

记及压应力的内聚力单元及其厚度对复合材料分层损伤预测的影响

内聚力单元可以同时预测分层的起始和扩展,但单元尺寸对计算结果影响较大,而且无法模拟压应力导致的界面失效。首先,建立不同内聚力单元计算厚度的双悬臂梁模型、端边加载模型和冲击动力学模型,模拟分层损伤演化过程,研究内聚力单元厚度对载荷-位移曲线和界面损伤面积的影响;然后,通过子程序自定义内聚力单元的本构关系,考虑压缩应力引起的复合材料层间界面失效;最后,分析考虑压应力引起的界面层失效对复合材料冲击响应的影响。计算结果表明:内聚力单元厚度对界面层的损伤面积影响明显;相同的载荷条件下,内聚力单元厚度越大,界面损伤面积越小;考虑压缩应力引起的界面层失效,界面损伤面积较大且界面失效包含压缩和剪切两种失效模式。

基于轴对称内聚力单元的立贮发动机黏接界面结构完整性分析

建立轴对称内聚力单元是进行立贮发动机黏接界面应力分析的重要手段。在变形后的轴对称内聚力单元上建立参考坐标系,推导了单元节点位移在参考坐标系和全局坐标系下的转换关系。基于单元分离位移推导了单元内力矢量和单元刚度矩阵。开展了旋转体的分离测试,验证了轴对称内聚力单元的准确性和高效性。针对立贮发动机,先后开展了轴向加速度以及波浪载荷作用下的发动机结构分析,重点研究了黏接界面上应力的大小以及分布规律。研究方法和结论可以为发动机黏接界面结构分析提供有利参考。

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.

内聚力界面单元在胶接接头分层仿真中的应用

分层是胶接接头的主要破坏形式,而分层主要发生在胶层与被粘物的界面层上,因此,对胶接接头界面层的力学行为的分析是很有必要的。由于界面层厚度太小,用常规的有限元法或边界元法很难对其进行仿真,更加无法仿真胶接接头的分层损伤过程。针对上述情况,为提高接头结构承载力,采用零厚度的内聚力界面单元来仿真界面层,克服无法仿真界面层的困难,对胶接接头的分层损伤过程进行仿真,并与试验结果进行对比,验证方法的有效性。通过仿真分析结果与试验结果对比可知,仿真分析结果与试验结果吻合较好。因此,运用内聚界面单元仿真界面层方法是有效的,并为复杂胶接接头承载能力分析提供有力的依据。

基于X-CT成像的泡沫混凝土细观损伤模拟方法

为探究常用于隧道减震设计的泡沫混凝土材料在受压荷载下的细观裂纹损伤发展过程以及细观损伤对宏观力学行为的影响,提出基于X-CT成像从细观尺度分析泡沫混凝土损伤过程的模拟方法。首先,借助X-CT扫描技术获取可表征泡沫混凝土细观多孔结构的X-CT图像,并对该图像进行二值化处理以获取用于建立泡沫混凝土细观模型的二值图;然后,采用自主编译的Python脚本插入内聚力单元模拟泡沫混凝土模型的损伤开裂过程,并分析不同孔隙率下泡沫混凝土的细观损伤变化规律。研究表明:1)泡沫混凝土应力-应变曲线上升阶段、塑性平台阶段的细观模拟结果与试验结果吻合较好,该方法为研究泡沫混凝土材料的细观损伤机制和宏观力学参数标定提供了新手段;2)在单轴受压过程中,连接多孔材料相邻孔隙的水泥基充当了“支柱”作用,接触法向压力随着应变积累而连通发展,泡沫混凝土模型受压时主要表现为剪切破坏;3)当泡沫混凝土孔隙率较低时,其峰值抗压强度会显著增加,但材料可能会在局部产生大规模开裂,孔隙的作用不能得到充分发挥。

梯度晶粒结构材料拉伸断裂行为的晶体塑性有限元模拟

梯度晶粒结构材料通过在材料内部构筑由纳米晶、细晶渐进过渡至粗晶的微结构,使其展现出诸多优异的力学性能,如高强度、高韧性和抗疲劳性等.工程材料在长期服役过程中,不可避免会发生疲劳和断裂,严重威胁材料的服役安全和使用寿命.相关实验研究报道了纳米晶材料具有沿晶断裂的特点,且抗断裂性能与晶粒尺寸相关,然而梯度晶粒结构材料具有复杂的晶粒尺寸分布,其断裂机理仍需进一步揭示.为此,基于晶体塑性有限元方法,将Cohesive单元植入有限元模型的多晶晶界处,分别模拟了均匀晶粒结构铜和梯度晶粒结构铜的单拉力学性能,并研究了预制裂纹对梯度晶粒结构材料裂纹扩展的影响.结果表明,所提出的晶体塑性本构模型结合晶界损伤机制可以有效模拟梯度晶粒结构材料的塑性变形以及裂纹扩展过程.在单轴拉伸变形下,梯度晶粒结构材料展现了应力与塑性应变的梯度分布特征.一方面,由于晶粒尺寸效应,尽管基体细晶区具有相对较低的流动应力,但是表层纳米晶强度高.此外,由于应变硬化能力的不同,尽管纳米晶区域表现出较低的塑性应变,但细晶区域呈现较高的塑性变形能力.因此,梯度晶粒结构通过强度与应变硬化能力的差异,有效地优化了强度与韧性的协同作用,从而增强了抵抗裂纹扩展的能力.纳米晶区域预制裂纹对梯度晶粒结构材料的强度影响较大,因此抑制纳米晶区域的裂纹萌生有助于晶粒结构材料的安全服役.

计及层内和层间的L形层合板失效的数值研究

民用复合材料飞机中,L形层合板是最常见也是最关键的元件,研究其失效机制对飞机结构安全至关重要。层内基体裂纹扩展和层间分层失效是L形复合材料层合板最关键的两种失效机制,这两种失效机制可能同时发生并且存在耦合作用。本文提出两套数值分析模型,用于描述L形复合材料层合板的失效过程。模型Ⅰ在L形板的弧形区域层间布置零厚度内聚力单元用于模拟分层,同时在90°层内铺设径向零厚度内聚力单元用于模拟基体裂纹。模型Ⅱ采用XFEM方法模拟基体裂纹的萌生和扩展,采用内聚力行为方法模拟分层。通过与试验进行对比,验证了本文方法的可行性。同时,对两套模型在失效模式和关键载荷预测等方面的能力和优缺点进行评价。结果表明,两套模型都能描述基体裂纹和分层的扩展及二者的耦合作用。模拟分析所得到的失效模式与试验结果一致,同时预测的初始失效载荷和最大失效载荷也与试验结果吻合良好。

考虑酸蚀效应的缝洞交互行为研究

缝洞型碳酸盐岩储层具有低孔、低渗透和非均质性强的特点,酸压是该类储层增产改造的主要技术手段,酸压改造的关键在于高效沟通缝洞储集体。由于受到非均质性和随机分布孔洞的影响,酸压过程中裂缝扩展路径复杂,缝洞交互规律认识不清。为此,开展室内实验,研究碳酸盐岩酸蚀前后孔隙度、渗透率和力学性质变化规律。实验结果表明:酸岩反应对岩石力学参数影响显著,以质量分数为15%胶凝酸为例,酸蚀作用后,岩心孔隙度、渗透率增加,岩心抗压强度、弹性模量分别降低了42%和60%,泊松比增加了25%。通过在经典内聚力模型中引入岩石物理力学演化方程,建立了一种考虑酸岩反应的裂缝扩展模型,将该模型与常规水力裂缝扩展模型和室内酸压物理模拟实验对比,验证了该模型的有效性和正确性。利用建立的模型研究了孔洞尺度、注液排量、水平地应力差对裂缝扩展路径的影响,结果表明:①人工裂缝倾向于贯穿小孔洞、绕过中型孔洞、沟通大型孔洞。②当水平地应力差超过5 MPa,注液排量超过0.057 m3/s时,有助于裂缝与孔洞沟通。③酸岩反应能明显提高缝洞沟通效率,注液排量为0.1 m3/s时酸压裂缝扩展面积是常规水力压裂的2倍。因此,改造高应力差碳酸盐岩储层时,为了提高缝洞沟通效率、改善酸压效果,应适当提高注液排量。

基于内聚力模型的硅电极植入软组织数值仿真

研究神经电极对软组织的植入损伤问题,关系到神经电极的长期寿命。基于内聚力单元,建立了神经电极植入软组织过程数值仿真模型;通过单轴拉伸试验并对软组织Ⅰ型裂纹体进行柔度测定,获得了组织基体超弹性力学本构和能量释放率。结果表明:植入损伤随能量释放率增加而显著增加;随着电极楔形角增加,植入损伤先增大后降低;外凸流线型电极相比于直线型与内凹型更有利于减少组织植入损伤。仿真结果可为新型神经电极植入参数设计提供参考,从而减少组织植入损伤,提高电极工作寿命。

结构胶与螺栓混合连接的型钢-胶合木组合梁受力性能研究

为了研究螺栓连接及结构胶+螺栓复合连接方式下型钢-胶合木组合梁的受力性能,通过建立有限元三维实体模型进行参数化分析,改变螺栓间距、设置加劲肋及翼缘连接方式等参数,研究其对组合梁刚度、承载力和变形能力的影响规律和破坏机制。结果表明:钢-胶合木组合梁的破坏特征主要包括端部界面脱胶翘起、螺栓剪切及翼缘木材螺孔塑性变形和钢板局部屈曲;在组合梁上下翼缘外表面受拉压应力集中现象较为明显,施加荷载过程中,螺栓孔洞处会改变临近钢材和木材应力应变传递和分布路径,且容易首先发生屈服破坏;结构胶+螺栓复合连接可以有效增强组合梁的整体刚度,屈服荷载增幅为30.65%,可充分发挥翼缘承载能力。