基于代表性体积单元的双模铝基复合材料性能拟实研究

目的研究双模铝基复合材料连续区(Continuous Region,CR)和非连续区(Discontinuous Region,DR)力学性能对材料整体力学性能的影响规律,以深入了解双模铝基复合材料的强韧化机理。方法基于Abaqus模拟软件,以双模CNT/Al为研究对象,建立了构型尺度的代表性体积单元(RVE)模型,采用GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman)模型来描述双模CNT/Al中CR和DR的变形力学行为,通过定义力学性能参数来简化描述CR和DR复杂的力学性能。针对双模CNT/Al的CR和DR,分别设定力学性能参数HC和HD,并进行一系列的拉伸载荷模拟,研究HC和HD对双模复合材料整体力学性能的影响规律。通过与真实双模CNT/Al的力学性能进行对比,得到双模CNT/Al中CR和DR力学性能与均匀材料力学性能的差异,最后对双模CNT/Al在变形过程中的应力分布情况和断裂后的形貌进行分析。结果当HC小于4时,双模CNT/Al的抗拉强度随HD的增大而下降;当HC大于5时,双模CNT/Al的抗拉强度随HD的增大而增大;双模CNT/Al的屈服强度随着HD和HC的增大而增大,延伸率随着HD和HC的增大而降低。当HD或HC一定时,在HC=HD时,模型材料的延伸率最大。典型双模CNT/Al由“粗晶铝合金+CNT/超细晶Al复合材料”构成,与均匀结构的粗晶铝合金相比,其构型中粗晶铝合金的强度显著提升、塑韧性显著下降;与均匀结构的CNT/超细晶Al相比,其构型中的CNT/超细晶Al复合材料的强度小幅降低、塑韧性小幅提升。当HD大于HC时,裂纹优先在DR产生;当HD小于HC时,裂纹优先在CR区产生;当HD和HC接近时,裂纹产生的区域更加分散。结论建立了一种双模铝基复合材料的有限元模型,从数值上说明了双模CNT/Al复合材料微区与均匀材料的力学性能存在显著差异,为双模铝基复合材料的设计提供了参考。

等效体积单元(RVE)在砌体有限元分析中的应用

本文回顾了砌体有限元分析中的常用单元模型;提出了等效体积单元(RVE)的概念;详细分析了等效体积单元(RVE)的力学特性、破坏与失效模式;并应用等效体积单元(RVE)进行墙体的有限元分析.

高导无氧铜杆的冲击拉伸断裂系列实验以及基于样本体积单元的分析

采用Hopkinson装置和一种基于一级气体炮的高速冲击拉伸断裂装置,研究了无刻槽高导无氧铜(OFHC)杆在一系列冲击拉伸速度下的断裂。当冲击拉伸速度大于40 m/s时,断裂位置总在冲击拉伸端附近,此速度被确定为OFHC的实验临界冲击拉伸速度。一种受单轴冲击拉伸荷载的、中心含椭球空穴的样本体积单元被用于数值模拟所含空穴的增长与失稳的过程。OFHC的J-C与Z-A本构关系用于描述基体材料的动态响应。讨论了空穴失稳条件并提出以空穴形状演化为判据,比较了空穴失稳时的样本体积单元平均径向应变与无刻槽杆的冲击断裂应变。也用这种样本体积单元模型分析了OFHC的实验临界冲击拉伸速度。

基于代表性体积单元模型的矿石组分界面破碎特征

矿物组分的界面破碎特征一般指黏结界面在外部载荷作用下产生的应力、应变等,其对研究矿物组分解离、提高矿石破碎效率具有重要意义。针对矿石内部组分矿物聚集、有用矿物非均匀分布的特点,开展了岩石内部岩相分析实验和矿物界面原位加载实验,在此基础上,利用非线性、多尺度建模平台DIGIMAT构建符合组分矿物微观结构的代表性体积单元(RVE)模型,并通过DIGIMAT-ABAQUS耦合开展矿石RVE模型原位破碎模拟。结果表明:(1)黑钨矿石中有用矿物以颗粒状分布在矿石内部,主要分布在石英矿物内及其与硅质岩矿物黏结界面处;(2)不同组分黏结界面的力学性质存在差异,且与组成矿物的物理属性、形态特征等相关,石英-硅质岩界面的最小破碎应力(界面发生破坏时的应力)范围为1.1785~1.4826 GPa,石英-钨界面的最小破碎应力范围为1.3355~1.5420 GPa;(3)加载速率为0.010或0.005 kN/s时,矿石破碎峰值应力无明显变化,但其对矿石内部形变的影响较大,且加载速率为0.010 kN/s时,强化阶段应力易突然降低并不断波动;(4)原位载荷产生的破坏主要发生在载荷作用区域边界,且两组界面中石英矿物破碎力学性能参数大于钨矿物和硅质岩矿物,即界面组成矿物中石英矿物优先形成破坏。

基于等效体积单元方法的空心坝工作特性有限元分析

红旗渠空心坝坝身可调节河道内过水,坝腹涵洞可运输渠水,该结构有效解决了当地水道立交的问题.由于空心坝结构特殊,对空心坝工作性态的研究分析非常少.本文对浆砌石等效体积单元(RVE)进行了单轴抗压、单轴抗拉以及纯剪有限元模拟,得到浆砌石等效体积单元的单轴抗压、单轴抗拉和纯剪应力-应变曲线,并得到相应极限强度值和对应的峰值应变值.同时基于均质化理论对红旗渠空心坝进行三维有限元模拟,计算了空心坝在正常运行工况、校核工况和地震工况下的工作特性.根据数值模拟结果可得,在地震工况下,典型截面第一主应力最大值为95.21kPa,最大变形值为0.325mm;在校核工况下,典型截面第三主应力最小值为-603.90kPa.红旗渠空心坝在3种工况下,其坝体结构满足强度安全要求,可为将来设计、施工同类型水工结构提供参考.

砌体等效体积单元的试验研究与应用

对砌体中的等效体积单元(Representative Volume Element,简称RVE)的适用性进行了分析,采用试验与数值模拟相结合的方法,通过砌体抗压及压剪试验,验证了RVE单元完整破坏准则用于砌体结构中的效果,解决了RVE单元适用性问题。

基于Voronoi建模和Cohesive单元的PBX细观力学模型

针对PBX的细观力学模型存在模型结构与真实PBX细观形貌不符、破坏行为描述不全面(仅考虑界面脱粘)、研究对象单一(大多针对PBX-9501)等问题,建立了基于Voronoi建模和Cohesive单元的PBX细观力学模型。首先,基于光学显微镜下的细观结构图,采用Voronoi方法构建了更贴近实际形貌的PBX炸药细观模型;然后,采用内聚力有限元方法在炸药晶体内部、黏结剂内部及炸药颗粒/黏结剂界面处都引入了Cohesive单元,以在二维尺度上实现任意路径破坏行为的模拟;最后,针对某HMX基-F2311黏结剂炸药和某HMX基-F2313黏结剂炸药标定了模型参数,模拟了这两种炸药的准静态拉伸行为。结果表明,两种炸药数值模拟的拉伸变形曲线、破坏应力、破坏应变都与试验数据吻合良好,表明该模型不仅适用于不同PBX炸药材料(线弹性PBX、非线性PBX)的变形行为描述,还可以分析PBX炸药在拉伸破坏过程中的细观机理,刻画不同PBX炸药的裂纹萌生、扩展和贯穿的过程。

室内缩尺级配堆石料力学参数的表征单元体积

为了寻找室内缩尺级配堆石料强度和变形参数的表征单元体积(REV),利用离散元方法(DEM)研究试样尺寸对玄武岩堆石料力学行为的影响.通过室内单颗粒破碎试验,分析玄武岩颗粒的破碎特性,确定DEM模拟所需的颗粒破碎强度参数.开展一系列试样尺寸、颗粒排列和围压不同的三轴压缩DEM试验.分析堆石料强度和变形参数随试样尺寸的变化规律,建议了各参数的REV.结果表明,颗粒排列和试样尺寸均会影响堆石料的力学行为.各力学参数的变异系数随着试样尺寸的增大而减小.不同力学参数的REV尺寸不同,为了提高DEM计算效率,可以根据研究对象选择合适的试样尺寸.在模拟工况下,要使所有参数均达到稳定,数值试样尺寸应不小于直径300 mm×高度600 mm.

裂隙岩体渗透张量计算及其表征单元体积初步研究

基于三维节理网络模拟技术,应用渗流能量叠加原理,推导节理岩体渗透张量的理论计算公式,在此基础上提出裂隙岩体渗透表征单元体积的确定方法。该方法考虑空间节理的具体分布和连通情况,同时根据节理的开度变化和立方定理又可分析应力场对渗透张量的影响,可方便、有效地进行裂隙岩体渗透特性的分析。随后讨论节理迹长、间距、开度、产状和组数等结构面几何特征对岩体渗透特性及表征单元体积的影响。最后采用上述方法,以拉西瓦水电站右岸岩体为例,计算工程岩体的渗透张量,并分析渗透表征单元体积大小及地应力对其渗透特性的影响。研究结果在工程设计中具有应用价值。

裂缝性油藏等效渗透率张量计算及表征单元体积研究

给出了利用等效渗透率张量来确定裂缝性油藏表征单元体积的方法。根据裂缝系统属性参数的统计资料,利用裂缝网络模拟技术建立了离散裂缝网络模型。建立了求解裂缝性油藏等效渗透率张量的数学模型,并给出了边界元求解方法。在此基础上,提出裂缝性油藏表征单元体积的确定方法,分析了裂缝实际分布及其属性参数对研究区域渗透特性和表征单元体积的影响。研究结果为裂缝性油藏渗流分析的参数确定提供了理论依据。

裂隙土等效连续介质的渗透张量及表征单元体积

裂隙土的渗透特性是裂隙土边坡稳定性分析中重要的参数。文中通过分别考虑随机裂隙网络和土体本身的渗透性,推导裂隙土的渗透系数,并用张量的形式表示渗透系数的各向异性。同时建立了确定裂隙土表征单元体积的准则,为应用等效连续介质模型提供了基础。结果表明裂隙土的渗透系数大于裂隙网络和土体的渗透系数,其渗透方向取决于裂隙网络的渗透方向。算例中裂隙土的表征单元体积大约是裂隙长度平均值的5倍。

土体的裂隙描述和表征单元体积研究

裂隙描述是研究裂隙对土体力学和渗透特性影响作用的基础工作,用裂隙度描述土体裂隙是一种较为合理的方法。裂隙的存在使得土体成为不连续介质,等效连续介质模型是较为成熟的用于不连续介质的模型,而确定表征单元体积的大小是运用等效连续介质模型的一个关键问题。本文建立了用摄影测定裂隙度的方法,使得裂隙度的获得更为简便和可靠。并在此基础上,建立了基于裂隙度估算表征单元体积的方法。研究表明:裂隙度是描述土体裂隙的综合指标,能够较好的反映裂隙的发育程度。用摄影法测定土体裂隙度和表征单元体积简单可行。

利用节理张量确定岩体代表性单元体积

代表性单元体积 ( REV)是工程地质重要概念之一 ,目前 REV的确定尚无确切的量化方法。利用节理张量确定 REV的方法是利用现场节理量测资料 ,通过节理统计和岩体结构面网络模拟技术 ,计算岩体的 REV。

应用体积元模型汽车零件加工过程边部裂纹分析

边部裂纹导致的失效在汽车零件加工过程中最容易发生,这将直接影响到车辆的安全与可靠性。针对车身常用的高强钢材料加工过程进行分析,对材料断裂过程进行分析;对比分析不同材料加工间隙与断口光亮带之间关系,分析边部裂纹产生机理,并对断口形貌和组织进行对比分析;基于ABAQUS建立材料内部组织的体积元模型,选取与加工过程组织变化保持一致的单拉工况开展分析;获取在此工况下的应力、塑性应变等的分布情况;对比失效时,模型仿真与试验测试结果的裂纹方向,以验证模拟分析的准确性。分析结果表明:所研究的双相钢材料强度级别高,但由于延展性较差,光亮面所占比率较低,相比于其他材料,冲压成形性较差;裂纹走向呈阶梯状,发生了沿晶断裂与穿晶断裂,裂纹尖端存在微孔洞;单轴拉伸下材料主要以马氏体尖角处产生的微缩孔洞和剪切失效;材料基体组织铁素体的塑性应变加大,并且随着拉伸的进行而增大,表现出明显的加工硬化,与硬相组织间的硬度差缩小,材料的整体应力集中呈现减弱;有限元模拟和试验测试结果的失效过程及最终形貌保持一致,表明有限元模型的准确性,为此类研究提供参考。

各向异性扩散问题的一个单元中心型有限体积格式

在辐射流体力学的数值模拟中,扩散算子的高效高精度离散是一个十分重要的问题.本文研究各向异性扩散方程在任意多边形网格上的数值求解问题,我们利用调和平均点和线性精确方法,构造了一个单元中心型有限体积格式.该格式只含有单元中心未知量,满足局部守恒条件,有紧凑的计算模板,在结构四边形网格上退化为一个九点格式.由于调和平均点插值算法是一个具有两点模板的二阶保正算法,因此,采用单元边上的调和平均点为插值节点,使得离散格式十分简洁,容易实施.此外,我们在格式构造中仅采用了二、三维网格的共有拓扑关系,使格式容易向三维问题推广,大部分程序代码可实现二、三维公用.我们采用典型的大变形扭曲网格及典型的扩散算例(包括连续和间断的扩散张量)对所提出的新格式进行了测试,数值算例表明,新格式在许多扭曲的多边形网格上具有二阶精度.

芳纶平纹编织复合材料平板弹道冲击特性及损伤分析

为了研究1000D629T/EPMOLD110芳纶平纹编织复合材料平板抗冲击行为及损伤特性,采用真空辅助树脂灌注成型技术(VARI)和树脂传递模塑成型技术(RTM)加工不同厚度的平板试验件,通过空气炮装置进行弹道冲击试验。同时,基于芳纶平纹编织复合材料基础力学性能试验数据,建立经验证的细观代表体积单元(RVE)模型,通过拟合确定宏观模型的材料本构参数;建立芳纶平纹编织复合材料平板弹道冲击宏观有限元模型,结合CT扫描结果进一步分析其弹道极限特性及损伤形貌等。结果表明:芳纶平纹编织复合材料平板在圆柱弹体冲击试验下的失效模式主要为纤维拉伸断裂、纤维脱出、面外剪切与层间分离等;随着平板厚度增加,其弹道极限相应增加,且与VARI工艺相比,采用RTM工艺可将芳纶平纹编织复合材料平板的抗冲击性能提升5%;芳纶平纹编织复合材料平板宏观模型的弹道冲击仿真结果与试验结果吻合较好,弹道极限误差在1%以内。

岩体饱和/非饱和渗流表征单元体积浅析

岩体渗流表征单元体积 (REV)是衡量等效连续介质渗流模型实用性的重要标准 ,也是数值计算中对岩体渗流进行网格剖分的基本尺度 .本文从统计分析角度导出了岩体饱和渗流REV的表达式 ,从机理分析角度探讨了单裂隙非饱和渗透率表征单元面积 (REA)随饱和度变化的关系 .提出“REV REA相似扩大假想” ,建立了岩体非饱和渗流表征单元体积与单裂隙非饱和渗透率表征单元面积的相似对应关系 .计算表明 ,在中等饱和度下单裂隙渗透率REA较小 ,而在低饱和度及接近饱和状态下单裂隙渗透率REA较大 ,文中从饱和度变化与沟槽流发育程度的关系对这一变化趋势进行了合理解释 .算例中 ,采用开度分布的随机均匀场定量分析了单裂隙非饱和渗透率REA与饱和度的变化关系 ,基于REV REA相似扩大假想求取了岩体非饱和渗流REV的大小 .

玄武岩纤维缠绕成型管道的损伤及承载能力研究

玄武岩纤维增强复合材料(basalt fiber reinforced composite, BFRP)具有耐腐蚀性强、比强度高、环保等优点,正确评价BFRP管道性能的可靠性和承载能力是将其应用于高附加值的油气输送领域的基础。对于玄武岩纤维(basalt fiber, BF)缠绕成型的复合材料管道,首先在细观尺度上获得浸胶纤维束的强度。然后,沿着管道的轴向和环向分别截取试件,测量了两种试件的拉伸强度;基于试验结果和有限元模拟,研究了管壁结构层在拉伸、压缩以及剪切载荷作用下的损伤演化,得到结构层的宏观本构模型。最后,建立了BF缠绕成型管道的有限元模型,研究纤维性能离散对管道承载能力的影响。结果表明,纤维有效含量对管道承载能力的影响很大,从纤维生产和管道成型工艺等方面降低纤维增强作用的离散性对于准确预测管道的承载可靠性,推动BF复合材料在油气管道领域的应用至关重要。

基于有限单元法的平纹织物复合材料强度预测:1.RVE的有限元模型

为更准确预测平纹织物复合材料的强度,基于平纹织物层合板内纱线的细观分布,建立具有双凸结构的特征体积单元RVE(representative volume element)有限元模型。模型内纱线浸渍体为弹性体,物性值随纱线走向变化,树脂为塑性体。利用有限元分析软件ANSYS,使用20节点solid单元分别对纱线、树脂进行离散,通过数值分析计算复合材料模量,并根据复合材料内纤维与基体的失效准则预测单胞强度。结果表明:通过有限元模拟得到的弹性模量值同理论计算值及实测值均一致,且预测的单胞强度同复合材料实际强度相吻合;RVE有限元模型支持参数化建模,对平纹织物复合材料的强度预测有很好的应用价值。

铺层方式对VIHPS制备的GO-CF混杂增强复合材料弯曲性能的影响

本文首先采用真空浸渗热压工艺(VIHPS)制备了不同铺层方式的氧化石墨烯-碳纤维(GO-CF)混杂增强复合材料,并对该材料进行三点弯曲试验,再通过扫描电子显微镜(SEM)表征其微观断口形貌。然后使用Digmat软件的FE模块建立微-纳跨尺度的代表性体积单元(RVE)模型,将该模型导入ANSYS Workbench软件中进行三点弯曲仿真模拟。复合材料三点弯曲试验结果表明,随着沿试样宽度方向(Y向)纤维铺层的增加,复合材料的弯曲强度从433.2 MPa降低至12.7 MPa,弯曲模量从13.8 GPa降低至0.2 GPa,它们分别降低了97.07%和98.55%。最后通过对比试验与仿真结果发现,两种结果的变化趋势基本一致,且仿真结果与试验结果接近。复合材料在弯曲变形过程中,受到拉伸和压缩的共同作用,其中导致复合材料失效的方式主要包括基体开裂、界面脱粘和纤维断裂。