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。

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。

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。

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。

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。

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。

基于微观图像及内聚力模型的复合材料裂纹扩展模拟

为研究材料微观结构及晶界强度对材料力学性能的影响,在晶界处引入内聚力单元模型,模拟晶间破坏过程。以ZrB_2-SiC复合材料为研究对象,将其扫描的微观结构图片进行矢量化处理,并导入ABAQUS有限元软件中建立模型,同时在其晶界处,设置内聚力单元模拟晶界破坏过程。通过改变Zr B2与Si C相界面强度,得到了晶界及材料不均匀对材料应力分布及裂纹扩展的影响。结果表明,由于晶界的存在,材料内部出现应力分布不均匀现象并产生应力集中。随着晶界强度的改变,裂纹起始位置及扩展方向发生改变,且裂纹沿低强度的界面进行扩展。随着ZrB_2-SiC界面强度增大,材料的强度提高,拉伸模量不变。

基于固有型内聚力模型模拟双层夹胶玻璃冲击断裂行为

为了研究双层夹胶玻璃(LG)在冲击荷载作用下的裂纹扩展规律,采用零厚度固有型内聚力单元裂纹扩展方法建立了球形锤头冲击下两边支撑的LG动力响应的计算模型,内聚力单元使用最大主应力失效准则,探讨玻璃罚刚度K值和厚度对裂纹形成路径、范围和数量以及下面板位移的影响。结果表明:(1)冲击荷载作用下,上玻璃板中心首先产生大量细小裂纹和玻璃颗粒,随后径向裂纹不断向外扩展,同时产生大量环向裂纹;(2)随着玻璃K值的增加,LG裂纹扩展范围缩小、数量减少,下玻璃板中心位移减小;(3)随着玻璃厚度的增大,LG裂纹范围缩小、数量减少,下玻璃板中心位移减小。研究结果为LG抗冲击设计和安全防护提供了直接依据。

基于内聚力界面的钨合金两相细观结构拉伸模拟

在钨合金粉末冶金制备工艺的基础上,本研究建立了一种基于颗粒挤压方法的钨合金两相结构模型。首先在光学显微镜下观察了钨合金的微观组织结构,并统计了其颗粒分布特征,随后利用随机顺序吸附算法生成符合实际分布的颗粒初始构型,然后利用Python脚本程序在ABAQUS软件中建立颗粒挤压模型,以提高颗粒的体积分数。当模型模拟出的颗粒体积分数达到钨合金中钨颗粒真实的体积分数时,提取颗粒边界轮廓,并运用布尔运算生成粘结相。最后通过Python脚本程序在颗粒界面生成内聚力单元,结合有限元方法,将上述模型运用于钨合金的拉伸模拟,确定了内聚力单元的参数,并与试验结果进行了对比验证,讨论了内聚力参数对拉伸应力-应变曲线的影响。

内聚力模型的工程适用性

内聚力模型目前只被应用于纯位移边界条件下二维脱粘问题的分析,本文则基于内聚力模型对三维三明治型双悬臂梁模型的脱粘进行了研究,研究结果表明模型位置对内聚力单元本构模型无影响、内聚力模型可以用于解决三维脱粘问题。在此基础上,用力载荷代替位移载荷进行脱粘分析,分析结果得出内聚力模型可以在各种边界条件下进行脱粘分析、内聚力模型有较好的工程适用性的结论,为未来将内聚力模型应用于复杂工程结构的脱粘分析奠定了基础。