基于连续介质损伤力学的钛合金耐压球壳极限强度分析

本文在连续介质损伤力学理论框架下,以深海载人装备耐压球壳结构为研究对象,开展Bonora损伤模型适用性研究。首先,设计TA31钛合金加载卸载试验,依据试验结果,分析Bonora模型参数对材料应力应变响应的影响规律;随后,提出一种模型参数校准方法,依据试验数据确定TA31钛合金的模型参数;最后,将Bonora模型通过VUMAT子程序的形式嵌入到有限元软件中,开展钛合金球壳结构的极限强度分析,并与传统方法进行对比。研究结果表明,在耐压球壳极限强度分析中,引入Bonora模型可以准确模拟耐压球壳结构的失效模式和破坏压力。该模型在材料本构关系中考虑了屈服强度、抗拉强度以及最大塑性应变的影响,结构失效的物理意义更加明确,对材料性能的优化与提升具有指导意义。

基于连续介质损伤力学的坑蚀高强钢丝疲劳寿命预测

为了研究坑蚀高强钢丝疲劳寿命,通过6根无锈蚀钢丝疲劳试验标定了CDM模型参数,利用ABAQUS的二次开发平台UMAT编写钢丝材料本构程序,并且进行了坑蚀钢丝疲劳试验验证模型。结果表明,对不同蚀坑尺寸以及应力幅下的坑蚀高强钢丝疲劳寿命预测值与实验值误差在±20%以内。

基于激光–介质损伤的三维内裂纹3D-ILC实现

在材料内部制作可用于试验的真实、可控的三维内裂纹,一直是断裂力学中的基础性难题。针对此瓶颈,提出了通过电磁场在试样内部制造等离子体进而制作任意宏观三维内裂纹的全新方法"3D-ILC",实现了"内科手术式"制作内裂纹而对表面无任何影响。首先综述传统的脆性材料的内裂纹制作方法及不足,然后给出激光–介质损伤的基本原理与3D-ILC实现方法,给出基于3D-ILC技术的单裂纹、随机多裂纹、双X形内裂纹试样实例。通过经典的单轴压缩与巴西圆盘试验,证明3D-ILC在断裂力学三维内裂纹断裂力学研究中的可用性。结果表明:3D-ILC相对于传统方法具有以下优势:①可观测性强;②简便、快速、高效;③裂纹真实;④试样均质度、脆性度高、完整性强;⑤裂纹数量、尺寸可控。3D-ILC的提出,解决了断裂力学百年来在材料内部实现任意可控宏观三维内裂纹这一基本问题,使原本复杂和高门槛的三维内裂纹扩展断裂研究具备"平民化"的特征,对于推动断裂力学中内裂纹及三维问题的研究,具有重要意义。

基于连续介质损伤力学的高强度钢板热成形性数值预测

基于连续介质损伤力学模型,建立耦合损伤的热成形本构方程。将该本构方程引入到自主开发的金属成形有限元软件KMAS中,从而可对高强度钢板在热成形过程中的损伤演化及成形性能进行预测。本构方程中与温度及应变率相关的损伤参数控制着热成形过程中的损伤演化,对成形性数值预测具有重要的意义。为标定本构方程中的损伤参数,进行不同温度及应变率下的等温热拉伸试验,并对拉伸过程进行数值模拟,通过优化对比数值计算和试验所得的力-位移曲线,获得了不同温度及应变率下的损伤参数。随后将损伤参数引入KMAS中,对一款典型汽车B柱在热成形过程的成形性进行数值预测,并与试验结果进行对比,结果证明了所建立耦合损伤本构方程的正确性。

复合材料层合板低速冲击损伤分析的连续介质损伤力学模型

针对复合材料层合板低速冲击损伤问题,提出了一种各向异性材料连续介质损伤力学模型,模型涵盖损伤表征、损伤起始判定和损伤演化法则3个方面.通过材料断裂面坐标下的损伤状态变量矩阵完成损伤表征,并考虑断裂面角度的影响,建立了主轴坐标系下的材料损伤本构关系.损伤起始由卜克(Puck)失效准则预测,损伤演化由断裂面上的等效应变控制,服从基于材料应变能释放的线性软化行为.模型区分了纤维损伤和基体损伤,并根据冲击载荷下层内产生多条基体裂纹继而扩展至界面形成层间裂纹(分层)的试验观察,引入基体裂纹饱和密度参数表征层间分层.以[0_3/45/-45]_S和[45/0/-45/90]_(4S)两种铺层的复合材料层合板为例,预测了不同冲击能量下复合材料层合板的低速冲击损伤响应参数,试验结果证明了连续介质损伤力学模型的有效性.模型在不同网格密度下的计算结果表明单元特征长度的引入可以在一定程度上降低损伤演化阶段对网格密度的依赖性.

本构关系对连续介质损伤力学基本方程适定性的影响——一维弹性损伤情况

许多工程材料当变形超过某一极限时由于损伤都会出现应变软化行为。首先从非局部理论出发 ,推导了应变梯度损伤本构方程 ;然后利用一阶拟线性偏微分方程组的特征理论 ,在一维弹性损伤情况下分析了两种不同的本构模型 ,即 Kachanov损伤本构方程与应变梯度损伤本构方程 ,对连续介质损伤力学基本方程适定性的影响。结果表明 ,当损伤发展时 ,与 Kachanov损伤本构模型相关的连续介质损伤力学的基本方程是不适定的 ;而与应变梯度损伤本构模型相关的 ,则无论损伤是否发展 ,其基本方程始终是适定的。

基于连续介质损伤模型的复合材料连接件失效分析

对4种不同铺层顺序的复合材料销钉连接件进行了挤压试验,得到复合材料销钉连接件的挤压强度和弦向挤压刚度,分析了载荷方向偏角对失效模式、挤压强度和弦向挤压刚度的影响规律。基于连续介质损伤力学理论,建立了复合材料销钉连接件在挤压载荷下的三维非线性数值模型,其中,采用最大应变准则预测纤维损伤的萌生,损伤演化规律则采用双线性损伤本构关系。基于物理失效机制的Puck准则对基体损伤的起始进行判定,根据断裂面内的等效应变表征基体损伤的扩展。该模型还考虑了剪切非线性和就地强度效应对挤压强度和损伤扩展的影响。基于此模型分析了销钉连接件在挤压载荷下的失效模式、挤压强度和弦向挤压刚度。试验结果和计算结果较好吻合,验证了模型的准确性和适用性。

基于连续介质损伤力学的坑蚀钢筋高周疲劳寿命与损伤分析

以实测HRB400钢筋的疲劳损伤模型参数为基础,结合加速锈蚀钢筋蚀坑形貌和疲劳试验结果,通过二次开发在Abaqus平台上实现了坑蚀钢筋高周疲劳寿命预测和损伤过程分析.结果表明:坑蚀钢筋高周疲劳寿命预测结果与试验值吻合较好;坑蚀钢筋蚀坑处存在应力集中,疲劳损伤主要集中在蚀坑底部附近,疲劳前期和中期损伤发展缓慢,疲劳后期疲劳损伤迅速累积;坑蚀钢筋弹性模量随循环加载次数的增加而降低;坑蚀钢筋蚀坑底部的应力在疲劳后期迅速降至较低值,并向周边转移,应力重新分布.

基于损伤力学的颈部椎间盘退化与寿命预测研究

目的在长期的循环载荷作用下,飞行员的椎间盘容易发生疲劳损伤,损伤的累积导致椎间盘退化,降低椎间盘的承载寿命,影响日常生活和飞行训练。然而目前缺少对长期振动载荷作用下椎间盘损伤退化及寿命预测的研究。本文基于连续介质损伤力学方法分析了飞行时长、振动频率、头盔重量及恢复训练对飞行员椎间盘疲劳损伤的影响。方法基于连续介质损伤力学的非线性损伤演化方程,在方程中考虑适用于人体组织自修复的恢复因子,使用椎间盘的体外疲劳实验数据和人体在正常步态过程中不同年龄段的椎间盘损伤数据对损伤演化模型进行参数标定和模型验证,得到了适用于人体椎间盘损伤演化和寿命预测的损伤演化方程。基于此方程,考虑飞行时长、振动频率、头盔重量和恢复锻炼等参数的作用,分析了各参数下飞行员颈部椎间盘的损伤演化历程,对椎间盘的寿命进行了预测。结果和结论考虑恢复因子的损伤演化方程能够用于人体椎间盘的损伤演化分析。结果显示,随着飞行时间的增加,椎间盘损伤退化的速度加快,椎间盘到达完全损伤的寿命缩短。频率及头盔重量的增加均会加快椎间盘的损伤速度。恢复因子的增加可促进椎间盘的损伤恢复,延长其发生退化的寿命。

重介质旋流器损伤动态监测与诊断系统研究

为满足重介质旋流器智能化升级与使用寿命进一步提升的需求,以重介质旋流器运行方式与损伤机理为切入点,对重介质旋流器损伤动态监测与诊断系统进行了初步设计,提出了该动态监测与诊断系统的概念和构建方法,并对各种损伤状况下振动信号的特点进行了研究,以期实现实时监测旋流器设备整体运行状况,并能够在损伤征兆出现的第一时间进行报警反馈,从而大大降低设备损伤带来的经济损失与日常维护成本。重介质旋流器动态监测诊断系统是旋流器智能化升级的重要组成部分,对未来智能化选煤厂设备监测与反馈环节的建设具有重要参考意义。

基于非线性连续介质损伤力学方法的微动疲劳寿命预测

微动损伤被称为"工业癌症",为了更加准确预测微动疲劳寿命,本文提出了一种基于多轴非线性连续介质损伤力学(NLCD)模型的微动疲劳寿命预测方法。该方法在Chaboche NLCD模型基础上,引入临界等效塑性应变幅对其进行改进,得到了适用于微动疲劳的NLCD改进模型,对桥式光滑试件和燕尾榫结构模拟件分别进行了微动疲劳寿命预测,与文献试验结果误差分散带在2倍因子之内,且预测裂纹萌生位置与试验吻合良好,验证了本文方法的有效性。

基于连续介质损伤力学的复合材料层合板低速冲击损伤模型

基于连续介质损伤力学(CDM)方法,建立了分析复合材料层合板低速冲击问题的三维数值模型。该模型考虑了层内损伤(纤维和基体损伤)、层间分层损伤和剪切非线性行为,采用最大应变失效准则预测纤维损伤的萌生,双线性损伤本构模型表征纤维损伤演化,基于物理失效机制的三维Puck准则判断基体损伤的起始,根据断裂面内等效应变建立混合模式下基体损伤扩展准则。横向基体拉伸强度和面内剪切强度采用基于断裂力学假设的就地强度(in-situ strength)。纤维和基体损伤本构关系中引入单元特征长度,有效降低模型对网格密度的依赖性。层间分层损伤情况由内聚力单元(cohesive element)预测,以二次应力准则为分层损伤的起始准则,B-K准则表征分层损伤演化。分别通过数值分析方法和试验研究方法对复合材料典型铺层层合板四级能量低速冲击下的冲击损伤和冲击响应规律进行分析,数值计算和试验测量的接触力-时间曲线、分层损伤的形状和面积较好吻合,表明该模型能够准确地预测层合板低速冲击损伤和冲击响应。

基于连续介质损伤力学的7075铝合金高温成形极限理论预测与数值仿真

开展7075铝合金高温单向拉伸试验和成形极限试验,获得了不同温度和应变率的应力-应变曲线和成形极限曲线。结果表明,在较高的温度和应变率时7075铝合金的强度减小、成形性提高。为描述7075铝合金高温损伤演化过程,提出一种改进的连续介质损伤模型,并建立了耦合损伤的多轴统一黏塑性本构模型。基于试验结果,运用NSGAII遗传算法标定了模型中的参数,标定后的本构模型可以很好地预测7075铝合金的高温热力行为和极限应变。通过有限元软件Abaqus的用户材料子程序VUMAT,该本构模型被编入到Abaqus软件中进行数值仿真计算。结果表明,仿真获得的成形极限曲线和应变场分布与试验和理论结果吻合度好,进一步证明了所建立的耦合损伤的多轴本构模型的正确性及其在高温成形极限有限元仿真中的适用性。

波在局部损伤混凝土介质中的传播

对弹性波在损伤介质中的传播理论进行研究 .利用弹性动力学基本原理和损伤力学模型建立了损伤介质中的波动方程 .求得了波动方程的基本解 ,并进行了实例计算分析 .由于损伤的存在 ,结构的波动响应在波形、波幅、传播时间等各方面都产生了明显的变化 .

非均匀损伤介质中波传播的数值解

对弹性波在非均匀损伤介质中的传播理论进行了研究。通过将非均匀损伤区域离散成分层均匀的区域,结合相邻区域交界面处的连续条件,推导出了以右行波、左行波为状态向量的波动方程和传递矩阵。对几种非均匀损伤介质中波的传播进行了实例数值计算,并和其解析解的结果进行了比较,讨论了弹性波在非均匀损伤介质中传播的一般性质。

基于连续介质损伤力学的高温微动疲劳寿命预测模型

建立了一种基于连接介质损伤力学(CDM)的高温微动疲劳寿命预测模型用以分析航空发动机榫连接结构在不同温度下的微动疲劳寿命。该模型在现有的基于非线性疲劳损伤累积(NLCD)模型微动疲劳寿命预测模型的基础上,引入温度相关的损伤速率因子以考虑温度对榫连接结构微动疲劳行为的影响。以某型发动机钛合金TC11燕尾榫结构模拟件为研究对象开展不同温度下的微动疲劳寿命数值模拟预测研究,预测结果与试验结果相比在2倍误差范围以内,证明了此寿命预测模型的有效性。

非均匀损伤介质中利用波传播理论对损伤参数的反演

介绍了波在非均匀损伤介质中的传播的反问题,根据波的响应来反演介质的损伤。首先应用Newton迭代法把非线性问题化为线性问题,得到一组不适定的线性方程式组,采用Tikhonov正则化求解,对于正则参数选取采用L线曲线准则,求出了原问题的稳定的、有效的解,获得了与真实损伤度较为吻合的反演参数。工程实例的模拟分析计算证明了上述算法的有效性。

波在非均匀损伤介质中的传播

对弹性波在非均匀损伤介质中的传播理论进行了研究。利用走时变换,建立了非均匀损伤介质中波动方程的一般形式;通过非均匀损伤区两端界面处力的平衡条件和位移相容条件对方程式进行求解。对带状渐增和渐减的非均匀损伤介质中波的传播进行了实例计算分析,讨论了弹性波在非均匀损伤介质中传播的一般性质。

DNA损伤检测点介质1和p53结合蛋白1在人食管癌细胞系TE-1.TE-13.Eca109中的表达及意义

目的研究DNA损伤检测点介质1(MDC1)和p53结合蛋白1(53BP1)在人食管癌细胞系中的表达及意义。方法采用半定量RT-PCR、免疫细胞化学法、间接免疫荧光法和Western blotting检测MDC1、53BP1mRNA和蛋白在人食管癌细胞系TE-1.TE-13.Eca109的表达水平。结果RT-PCR结果显示MDC1、53BP1mRNA在所检测的人食管癌细胞系中均有表达;免疫细胞化学法、间接免疫荧光法和Western blotting均在人食管癌细胞系中检测到MDC1、53BP1的蛋白表达。结论首次证实了MDC1、53BP1在食管癌细胞系中的表达,推测MDC1、53BP1可能和食管癌细胞的放射敏感性有关。

损伤介质中守恒积分的研究

给出并证明了小变形弹塑性损伤问题的一个自由能形式的变分原理及广义变分原理,利用该变分原理导出了弹塑性损伤介质的守恒积分方程,据此定义了 J 积分,从而在理论上完善了本课题的前期研究工作.