准静态拉伸下PBX力学性能的三维细观模拟

为了研究PBX在准静态拉伸下的力学响应行为,探索细观结构对力学性能的影响规律及机制,采用有限元计算方法,结合双线性内聚力模型,基于自编程序构建的PBX三维细观模型,研究了在单轴拉伸条件下颗粒体积分数、颗粒尺寸以及界面性能3个细观参数对PBX力学性能的影响。结果表明,三维模拟获得的宏观力学性能与实验数据能够较好吻合。此外,还发现颗粒体积分数增加会导致杨氏模量显著增加,同时也会导致抗拉强度升高,颗粒体积分数从61.2%增加至95.6%使得抗拉强度升高了38.9%,增加颗粒尺寸则会导致抗拉强度降低,颗粒尺寸从120μm增加到160μm,使其抗拉强度降低了13%;界面性能对抗拉强度的影响最为显著,当界面强度从0.5MPa升至5MPa时,抗拉强度从2.58MPa升至6.82MPa,说明相比于颗粒体积分数及尺寸,改善界面性能是提升PBX抗拉强度更为有效的方法。

不同压制工艺下的粉末颗粒变形三维细观模拟研究

采用离散体的有限元法对压制过程中的粉末颗粒进行了三维细观数值模拟,通过分析三维球形颗粒模型的位移和应变来研究粉末压制过程,进而考察了不同压制力下颗粒的应变情况以及不同模壁摩擦和压制压力下模坯密度的变化情况。结果表明,压制过程中粉末颗粒的变形主要有3个阶段:小变形的初级阶段、应变剧烈的主变形阶段和应变趋于稳定的最后阶段。压制压力的提高并不能无限地提高压坯密度,应根据不同的粉末特性选择适当的压制力。另外,选择合适的模具摩擦条件能有效地提高粉末冶金压制的生产效率和质量。

基于CT扫描的混凝土三维细观数值模拟

利用CT对混凝土试件进行扫描,借助MIMICS软件对扫描图像进行三维重构,得到了混凝土三维几何模型;对不同配合比的混凝土与水泥砂浆试件进行了力学试验,得到了数值模型的力学参数;基于所得混凝土三维数值试件参数,在ABAQUS软件中利用塑性损伤模型模拟了混凝土三维数值试件的单轴拉、压加载过程,并将数值模拟结果与试验结果进行了比较。结果表明:该三维数值模型具有合理性。

多晶冰细观模拟方法及压力条件下的力学特性

针对多晶冰 ,从物体细观的角度形成三维细观数值模拟方法 ,通过计算与实验结果比较 ,证明了其可行性。在此基础上 ,对具有脆性特性即在高应变速率作用下的多晶冰进行了数值实验 ,求出了在单向受压条件下不同冰晶尺寸的微裂纹密度与应力、应变之间的关系。

基于三维随机细观模型的SiCp/Al复合材料力学性能分析

基于颗粒增强铝基复合材料的细观组成及结构特点,建立了考虑颗粒、基体、界面性能的三维随机细观颗粒增强复合材料分析模型和方法。在细观尺度上,分别采用立方颗粒、球形颗粒及三维随机多面体模型来表征颗粒的形状,根据颗粒原材料粒度分析获得的粒径分布数据,建立考虑颗粒空间分布的随机特性及粒径的概率分布特征的三维随机代表性体积单元。在Ludwik模型基础上考虑淬火硬化效应,描述铝基体的弹塑性本构关系,考虑了基体的韧性损伤、SiC颗粒的弹脆性破坏以及界面的拉伸-开裂行为,模拟了材料在单轴拉伸过程中的变形和损伤过程。开展SiCp/Al2009复合材料标准件的单轴拉伸试验验证,结果表明:弹性模量、屈服强度和拉伸强度的预测最大误差分别在5%、5%及11%以内;弹性模量的预测结果受颗粒形状影响较小;其中,三维随机多面体模型的拉伸强度预测精度最高,且能反映出颗粒增强复合材料拉伸断裂过程中的基体韧性断裂、颗粒脆性破坏以及界面脱黏的破坏模式;该模型和方法可为颗粒增强铝基复合材料的细观损伤机理及宏观力学性能分析提供有益的参考。

考虑纤维取向特征的超高性能混凝土三维细观断裂

钢纤维取向对超高性能混凝土(UHPC)力学性能有显著影响,传统实验方法较难直接控制纤维取向和分布,且缺乏可同时反映UHPC裂缝演化与纤维作用等复杂机理的三维细观模型,造成了定量分析和模拟验证纤维取向影响的困难。为此,首先开展了UHPC直接拉伸实验,采用外置磁场实现纤维定向并利用图像分析获得纤维倾角分布密度,通过数字图像相关技术(DIC)研究了纤维取向对断裂过程、应力-应变曲线的影响。其次建立了可显式考虑纤维取向和分布、不同倾角的纤维拉拔力本构以及基体离散粘性断裂的三维UHPC细观数值模型,并通过开展的直拉实验获得验证。结果表明:建立的细观模型能有效描述UHPC材料复杂的三维断裂过程;UHPC的应变硬化特性、裂缝发展与最终形态、纤维桥连作用等均受到纤维分布和取向等细观因素的影响。

钢筋混凝土拉拔构件宏细观损伤分析方法

文章通过将连续箱梁桥受拉区钢筋端部的钢筋混凝土简化为拉拔构件,对其界面区进行三维细观数值建模,分析了钢筋混凝土粘合部位宏观粘结性能的退化和细观损伤演化规律。研究结果表明:该数值模拟方法能同时模拟出钢混界面区的细观损伤演化过程与其宏观力学性能的退化,可以对钢筋混凝土粘结界面区宏细观损伤进行同时分析。

基于三维随机细观模型的珊瑚混凝土力学性能模拟

为了研究珊瑚混凝土(CAC)的静、动态力学行为及损伤破坏机理,基于CAC的细观组成及结构特点,建立了包含珊瑚骨料、砂浆及二者之间界面过渡区(ITZ)的三相随机细观混凝土模型。根据破碎珊瑚骨料细观结构特征,提出采用三维随机多面体模型来表征其在形状和空间分布方面的随机特性的新思路。基于所建立的三维随机细观模型,结合CONCRETE_DAMAGE_REL3和HOLMQUIST-JOHNSON-COOK材料模型,利用ANSYS软件研究了静、动态荷载作用下CAC的力学响应,如应力-应变关系、细观破坏特征及破坏过程、应变率效应等,并分析了其细观破坏机理。结果表明:三维随机细观模型及相关材料模型参数在模拟CAC静、动态力学性能方面具有很高的可靠性,可以有效描述CAC的损伤破坏过程及形态,对于分析不同荷载作用下CAC失效机理具有重要意义。