多尺度内聚力有限元方法在锂离子电池中的应用

锂离子电池电极材料中锂离子扩散与结构应力的耦合作用是影响电池性能和安全的重要因素,为了模拟该过程中的浓度扩散和应力演化,提出了一种基于多尺度内聚力有限元方法的扩散-应力耦合模型,通过将化学能与应变能相结合,分别建立浓度场及应力场控制方程并推导了其有限元格式。以负极材料薄膜硅为例建立了二维的数值算例模型,计算了无晶界和含晶界情况下,不考虑材料损伤的电极材料中由于锂离子嵌入所引起的浓度及应力变化。多尺度有限元模型从原子尺度出发计算结构应力,丰富了材料的本构关系和物理性质,内聚力单元在描述界面处的物理特性如浓度、应力时具有很高的灵活性和有效性,该模型的提出为更准确地理解锂离子电池电极中的锂离子扩散-应力耦合过程提供了理论方法。

Numerical study of fatigue damage of asphalt concrete using cohesive zone model

In order to investigate the fatigue behavior of asphalt concrete, a new numerical approach based on a bi-linear cohesive zone model （CZM） is developed. Integrated with the CZM, a fatigue damage evolution model is established to indicate the gradual degradation of cohesive properties of asphalt concrete under cyclic loading. Then the model is implemented in the finite element software ABAQUS through a user-defined subroutine. Based on the proposed model, an indirect tensile fatigue test is finally simulated. The fatigue lives obtained through numerical analysis show good agreement with laboratory results. Fatigue damage accumulates in a nonlinear manner during the cyclic loading process and damage initiation phase is the major part of fatigue failure. As the stress ratio increases, the time of the steady damage growth stage decreases significantly. It is found that the proposed fatigue damage evolution model can serve as an accurate and efficient tool for the prediction of fatigue damage of asphalt concrete.

基于内聚力模型的γ-Ti Al合金中γ/γ界面裂纹扩展的多尺度模型

通过建立多尺度模型预测γ-TiAl合金中裂纹的扩展行为。利用分子动力学(MD)建立了真孪晶(TT)γ/γ界面模型,得到了界面内聚力区域(CZM)的本构参数;采用Voronoi方法生成了多晶γ-Ti Al合金介观模型,将CZM本构参数耦合到该模型中,得到了对应的不含缺陷、含钝裂纹和钝裂纹+中心空洞缺陷的临界应力断裂云图,利用几何相似性平均了多晶模型和整体裂纹拉伸关系曲线并分析了γ-Ti Al合金的损伤机理;根据连续介质假说建立了宏观有限元模型(FEM),通过对紧凑拉伸试样模拟给出了力-位移曲线并得到了材料的断裂韧性。最后,将宏观有限元模拟得到的裂纹扩展行为与实验结果进行比较,验证了该模型的有效性。结果表明:在晶粒数比例相同的情况下,缺陷对整个近γ结构的强度有着显著的敏感性,同时该多尺度方法可以有效地连接不同尺度并预测裂纹的扩展。