基于晶体塑性理论和XFEM的镍基单晶三维裂纹扩展仿真研究

镍基单晶作为主要的航空发动机涡轮叶片材料,其裂纹扩展特性对航空发动机的适航管理和寿命评估都有着重要作用,但是其晶体各向异性特点使得基于简单材料本构和损伤模型的仿真分析难以进行准确的裂纹扩展行为评估。本文将晶体塑性理论与扩展有限元(XFEM)相结合,通过对仿真软件的二次开发,实现了镍基单晶材料在三维空间内的裂纹扩展行为仿真,并通过与相关试验结果对比验证了方法的合理性,进一步利用建立的方法分析了涡轮叶片前缘气膜孔三维结构的裂纹扩展行为,可为叶片的损伤容限评估和长寿命设计提供技术支撑。

基于梯度塑性理论的断层活化机理

基于梯度塑性理论,将断层视为内部连续、有厚度的地质体,分析断层带应变软化及其应变局部化问题。将梯度塑性理论引入断层带模型,得到了断层带沿倾向相对错动位移的理论表达式,定义了"断层带等效剪切刚度";通过对上盘岩体的下边缘界面处单元体应力分析,得到上盘岩体沿断层倾向的相对错动位移并定义了"两盘岩体等效剪切刚度"。根据"断层带等效剪切刚度"与"两盘岩体等效剪切刚度"的关系得到了断层活化的判据。结果表明:断层的活化不仅与断层内部地质体材料的性质(断层内部地质体材料的脆性、内部结构尺寸)有关,还与两盘岩石的特征参数(剪切弹性模量、泊松比)及包括断层倾向长度的最小岩层尺寸相关;断层内部地质体材料的内部参数越小、"两盘岩体等效剪切刚度"越小、断层内部地质体材料越脆及包括断层倾向长度的岩层最小尺寸越大,断层越易活化。

基于剪切应变梯度塑性理论的断层岩爆失稳判据

应用应变梯度塑性理论及能量准则,提出了断层岩爆的失稳判据的解析解。断层带被视为一维剪切问题,断层带尺寸由岩石内部长度确定。断层带的一半及带外一侧的弹性岩石被视为一个系统。得到了依赖于断层带尺寸的断层带的耗散势能及峰后刚度表达式。应用能量准则,得到了断层带-围岩系统的失稳判据,它不仅与岩石材料的本构参数有关,也与岩石结构的几何尺寸有关,说明系统的稳定性具有尺寸效应。断层岩爆失稳判据与矿柱岩爆失稳判据具有类似性。目前的断层岩爆失稳判据的优越性在于:断层带的宽度、断层带的耗散势能、峰后刚度及失稳判据等都可以解析表示;而且,断层带内部具有不均匀的(塑性)剪切应变,这一点与有关的实际观测结果相符合。

应变梯度理论的新进展(二)——基于细观机制的MSG应变梯度塑性理论

介绍一种新近提出的应变梯度塑性本构模型：基于细观机制的应变梯度塑性理论（ＭＳＧ）。并对它在断裂力学中的应用进行了评述。本文的讨论虽限制在形变理论范围内。

关于岩土材料滑移线理论中速度解的讨论——广义塑性理论的应用

当前岩土材料的滑移线理论都采用经典塑性理论中的关联流动法则 ,由此得出应力特征线与速度滑移线一致 .而试验得知 ,岩土材料并不服从关联流动法则 ,因而应力特征线与速度滑移线不可能重合 .广义塑性力学的出现 ,从理论上证明了塑性势面与莫尔—库仑屈服面之间成一定的角度 ,因而应按非关联流动法则来研究速度滑移线 .本文简介了广义塑性力学理论 ,给出了具有三个塑性势函数的广义塑性势公式 ,并指出塑性势面与屈服面之间必须相应 ,但不一定相同 .文中导出了基于广义塑性力学 (非关联流动法则 )的速度滑移线方程 ,它与莫尔—库仑屈服条件无关 ,但应力特征线与莫尔—库仑屈服条件有关 .并证明了速度滑移线与应力特征线之间处处都成 φ 2角 .文中以平顶钝角楔体的Prandtl解为例 ,给出了基于非关联流动法则的速度解 ,并指出当 φ=0时 ,本解答与正交解一致 ,φ≠ 0时 ,则两者有较大差异 .

煤柱塑性区的弹粘塑性理论分析

为评价煤柱的长期强度和长期稳定性,以弹粘塑性理论和统一强度理论为基础,结合煤柱应变软化的概念,对煤柱塑性区进行了专门探讨,得到了煤柱弹性区和粘塑性区的应力分布、位移分布以及粘塑性区宽度的理论公式。分析了界面摩擦角、煤柱抗压强度、煤柱高度、覆岩压力、屈服准则的选取等因素对粘塑性区的影响,部分实验结果得到了理论解释。此外还探讨了开采时所需留设的合理煤柱尺寸,并给出了开采时应注意的几个问题。

基于塑性理论的活性粉末混凝土梁抗剪承载力

对14根分别考虑了剪跨比、钢纤维含量、配箍率、配筋率以及纵筋强度影响的HRB 500级纵筋活性粉末混凝土(RPC)梁进行受剪试验,得到其抗剪承载力实测值.基于塑性理论对其进行分析,推导出RPC梁的受剪承载力公式与简化公式,采用该式对构件的抗剪承载力进行了预测,将计算结果与实测值和现行规范公式的计算结果进行了对比.结果表明:基于塑性理论所推导的公式能很好地预测RPC梁的抗剪承载力;简化公式的计算结果离散性不大,适合于工程使用;现有规范的计算结果均较保守,但《纤维混凝土结构技术规程》在材料强度修正中的某些思路值得RPC梁借鉴.

梯度塑性理论的计算方法与应用

基于有限元自动生成系统(FEPG),开发使用梯度塑性理论的有限元程序,用于解决应变软化后的网格依赖性问题。提出带阻尼因子的u-λ算法,联立求解位移方程和屈服面方程,既可同时解得位移和塑性乘子,又避免了广泛使用的应力返回算法中的应力拉回运算。在D-P准则中引入软化模量和材料内部特征长度,使本构模型能够考虑软化和梯度效应。在软化问题求解上使用阻尼牛顿法,算例结果表明,带阻尼因子的u-λ算法能够计算应变软化问题,以有限元弱形式表达的梯度塑性理论,使用一阶单元就能够得到合理的结果,在一定网格范围能够得到稳定的应力应变曲线。

基于梯度塑性理论的单向拉伸低碳钢试样颈缩分析

采用非局部的梯度塑性理论 ,得到了断面收缩率及颈缩区内部不同位置直径的解析解。应变软化越严重 ,颈缩程度越大。在颈缩区域中部 ,半径最小。在颈缩区域内轴向拉应力分布是不均匀的 ,在颈缩区域中部 ,其值最大 ,而在颈缩区域边缘 ,其值最小。随着流动拉应力的降低 ,颈缩区域中部的真应力持续增加。在应变软化过程中 ,断面收缩率持续增加 ,但增加的速度越来越慢。

基于塑性体积应变的梯度塑性理论研究

首先介绍了2种基本类型的梯度塑性理论以及两者间的差别,然后在材料的屈服函数中考虑硬化参数的梯度项,引入了梯度塑性理论的一般本构关系。考虑到岩石材料的特殊性,以塑性体积应变为内变量,在Drucker-Prager屈服模型中引入该内变量的梯度项,建立了岩石的一种内变量梯度塑性模型;在经典塑性理论基础上推导了塑性体积应变的表达式,得出了分析岩石应变局部化的增量本构关系。最后在平面应变状态下分析单向受力时岩石应变局部化状态,推导出了应变局部化带宽度的表达式,并且得出了带宽随局部化带参数变化而变化的结论。

形状记忆合金的一种基于经典塑性理论的两相混合本构模型

形状记忆合金由马氏体相和奥氏体相动态组成 ,其行为实质上是两相各自行为的动态组合 .根据实验现象 ,假设在一定的变形范围内 ,马氏体相为弹塑性而奥氏体相为线弹性 ,基于经典塑性理论和混合物理论 ,结合Tanaka的相变描述 ,得到了形状记忆合金的一种本构描述 .对不同温度下形状记忆合金Au 4 7.5at.%Cd的铁弹性、拟弹性和形状记忆特性进行了分析 ,取得了与实验相吻合的结果 .

基于粘弹塑性理论局部焊后热处理评定准则

采用考虑高温蠕变的粘弹塑性有限元等数值方法与实验相结合 ,对具有初始焊接残余应力的管子在不同热处理条件下进行了分析 ,特别是对局部焊后热处理加热宽度的确定进行了研究 .提出了 2个局部焊后热处理的评定准则 ,即基于残余应力消除效果的残余应力准则和基于改善焊接接头性能的均热区温差准则 .局部焊后热处理应同时满足这两个准则的条件 .

基于梯度塑性理论的岩样单轴压缩扩容分析

采用梯度塑性理论,对岩样剪应变局部化引起的扩容进行了理论分析。假设岩石的剪切本构关系为弹性-应变软化双线性,局部化启动于应力峰值强度,利用局部塑性剪应变与局部塑性体积应变的线性关系,得到了局部塑性体积应变、局部塑性体积增量及剪胀引起的剪切带总塑性体积增量的解析式,这体现了该理论在研究剪胀问题时的优越性。另外,还得到了弹性阶段及应变软化阶段的轴向应力-体积应变曲线的理论关系。塑性体积应变是专指由剪切带剪胀而引起的,因而,轴向应力-体积应变不具有尺寸效应,与局部化带的尺寸无关,但扩容角、剪切降模量及泊松比却对该曲线有重要影响。在弹性阶段及应变软化阶段轴向应力-体积应变均呈线性。在相同的应力水平下,扩容角越大则剪胀程度越大;剪切降模量越大,剪胀程度越小。在应变软化阶段,泊松比不影响塑性体积应变。

应变梯度塑性理论下超薄梁弯曲中尺度效应的数值研究

构造了一个在物理空间二次完备的应变梯度非协调单元,在验证了单元数值可靠性后,采用该单元详细研究了均布载荷作用下超薄梁弯曲中的尺度效应现象。计算结果与实验观测一致,即随着梁厚度的减小,其尺度效应增强。并发现在平面应力状态下,梁的梯度效应略强于平面应变状态。最后指出,尽管梁越薄,其梯度效应越强,但梁抗弯刚度仍随厚度的增加而增大。

基于梯度塑性理论的岩样拉压剪破坏统一失稳判据

提出了单轴拉伸,直剪及单轴压缩剪切破坏失稳判据的统一形式。首先对de Borst R及Muhlhaus H B关于单轴拉伸试件梯度塑性理论解析解方面的开创性工作进行了回顾、评论,并指出了他们工作的缺憾。受de Borst R等工作的启发,对直接剪切试件进行了分析,得到了快速回跳条件。并发现:岩样的快速回跳条件就是系统(由剪切带及带外弹性岩石构成)的失稳判据。又对单轴压缩岩样剪切破坏进行了分析,得到了其失稳判据。通过对单轴拉伸失稳判据、直接剪切失稳判据及单轴压缩剪切破坏失稳判据的类比,得到了失稳判据的统一形式。统一失稳判据表明:岩石材料的局部化带宽度及压缩或剪切弹性模量越小,软化模量及等效试件高度越大,试件越容易发生失稳破坏。

基于塑性理论的钢箱-混凝土组合梁抗弯强度计算

为研究钢箱-混凝土组合梁的结构性能,分析其强度的主要影响因素,利用截面数值积分方法,考虑材料非线性,对钢箱-混凝土组合梁受力全过程的行为进行了理论分析,分析结果与试验结果基本相符;基于塑性理论提出了梁抗弯强度实用计算公式,计算结果与试验结果吻合良好;利用计算公式对钢箱-混凝土组合梁顶板、底板、腹板厚度、混凝土强度等主要参数对梁的抗弯强度的影响进行了分析,结果表明,钢板厚度变化对梁的强度的影响强弱依次为:底板>腹板>顶板,提高混凝土强度可以明显提高梁的强度。

岩土弹塑性理论的加卸载准则探讨

将当前岩土弹塑性加卸载准则分为３类：基于屈服面概念的加卸载准则、应力型加卸载准则和应变型加卸载准则，指出了它们存在的问题．在岩土硬化阶段加卸载过程分析中，发现弹性应变增量、应变总量易于计算，又与塑性应变具有相关性，适于用作判断加卸载的参量．基于硬化情况下的应变增量分析，提出了一种新的应变型加卸载准则．该准则适用于岩土的硬化阶段，物理意义明确且简单适用．将该准则推广到多维及理想塑性情况，并对软化、应力洛德角变化及主应力轴旋转情况下的加卸载准则进行了讨论．

弹脆塑性理论与三峡工程船闸开挖数值模拟

长江三峡花岗岩测试表明，其应力应变全过程曲线呈现典型的弹脆塑性。按弹脆塑性本构理论与数值求解技术，改制成相应的有限元程序，对三峡船闸实现了开挖数值模拟。

有限变形弹塑性理论及一致性算法

通过对对数应变的引用 ,成功地将小变形弹塑性理论移植到有限变形之中 ,形成了一套完整的有限变形弹塑性理论 ,进一步发展了具有一阶精度的一致性弹塑性算法 .最后 。

基于塑性理论的钢筋混凝土板冲切开裂滑移模型

在塑性理论的基础上引入新的概念,认为斜截面形成塑性屈服面的同时在该斜截面上开裂发生滑移才会引发节点冲切破坏.通过假设的斜截面上的应力分布,推导求出了圆板径向的斜截面开裂荷载;另一方面,采用抛物线型的Mohr-Coulomb可以得到塑性极限荷载.基于此破坏机理,得到集中力加载和均布荷载加载下板柱节点抗冲切承载力的求解方法,并根据试验结果对相关参数进行修正,经检验计算结果与试验结果吻合良好,同时根据计算结果对公式进行了简化,可应用于工程实践.此模型也合理地解释了板柱节点在集中力作用下冲切锥的角度大于均布荷载作用下板柱节点冲切锥角度的现象.