混凝土板裂纹扩展的态型近场动力学模拟

构建考虑混凝土拉压异性和宏观断裂特征的混凝土类材料非局部态型近场动力学本构模型,并通过引入动态松弛、系统失衡判断和力边界等效等算法,构建适于分析混凝土类材料和结构变形破坏过程的态型近场动力学数值模拟体系.通过分组模拟和定量计算,分析算法的收敛性、计算精度和效率等问题;在此基础上开展含不同角度中心裂纹混凝土板的破坏模拟.

页岩水力压裂过程的态型近场动力学模拟研究

水力压裂技术广泛使用于页岩气开采工程中。为了分析压裂过程中多裂缝扩展形成复杂裂缝网的机制,尝试将态型近场动力学理论引入页岩水平井水力压裂过程的力学建模与数值仿真,在物质点间相互作用力模型中加入等效水压力项以实现在新生裂缝面上跟踪施加水压力,建立了水力压裂过程的近场动力学分析模型。通过模拟页岩储层的水力压裂过程,可得到复杂的裂缝扩展路径、裂缝网络的形成过程以及裂缝扩展受射孔间距及页岩天然裂缝和层理的影响。研究结果表明:射孔间距过小会造成起裂干扰,使中心射孔的裂缝扩展受到抑制;在压裂压力一定的情况下适当增大射孔间距,可以显著增强页岩压裂形成裂缝网的能力;压裂过程中水平层理面可能张开形成水平裂缝,且天然裂缝会诱导形成更复杂的垂直裂缝。模型和方法可为页岩水力压裂过程和机制研究及工程实践提供参考。

非常规态型近场动力学热黏塑性模型及其应用

在非常规态型近场动力学(non-ordinary state-based peridynamics,NOSB-PD)理论框架下构建了考虑应变率效应、塑性硬化、热软化效应和材料断裂特征的非局部三维热黏塑性固体本构模型以及相应的非局部空间积分型数值算法,并应用于金属类材料和构件在冲击载荷作用等工况下的高应变率热黏塑性变形与破坏分析.通过对经典含初始裂纹Kalthoff-Winkler板冲击试验进行三维近场动力学模拟,可得到裂纹的起裂角度、扩展路径、扩展速度以及裂纹扩展过程中靶板等效应力和温度分布,所得结果与已有试验结果和其他数值方法结果吻合较好.在此基础上,应用该模型分析了不同冲击速度作用下金属靶板的变形与裂纹扩展过程,结果表明:该模型能较好地模拟不同冲击速度(应变率)情况下靶板的变形与破坏全过程.随着冲击速度变化,初始裂纹的起裂时间、扩展方向和扩展速度呈一定规律变化.冲击速度越低,起裂时间越晚(直至冲击速度低于某值时初始裂纹不扩展),裂纹扩展速度峰值越低,冲击过程中靶板温度峰值越低,完全扩展所需时间越长.

水力劈裂问题的态型近场动力学建模

将态型近场动力学理论引入水力劈裂问题的模拟。构建了能反映岩土类材料准脆性断裂特征的态型近场动力学本构模型,并在物质点间相互作用力模型中加入等效水压力项,以实现在新生裂纹面上跟踪施加水压力。同时,考虑裂纹面间的接触,引入物质点间的短程排斥力作用,并设计了相应的接触算法。通过自编程序将模型和算法应用于含初始裂纹、不含初始裂纹以及含坝基软弱结构面的混凝土重力坝在高水头作用下的水力劈裂过程模拟,并与扩展有限元等模拟结果对比,验证了本文模型和算法的可行性和准确性。

基于态型近场动力学的准静态数值仿真方法

近场动力学PD(Peridynamics)是一种通过空间积分方程描述力学行为的方法,对不连续问题的求解有重要的应用前景。本文构建了一种基于态型PD理论的准静态数值仿真方法,推导了节点刚度矩阵和结构刚度矩阵的表达关系,改进了Kilic在键型PD理论中运用的动力松弛法,将其引入态型PD理论,综合绝对和相对收敛准则得到了一种修正的迭代收敛准则。用该方法对薄板轴压稳定性进行了数值仿真,采用了方板晶格的离散方法,以此减小计算规模提高计算效率,成功捕获了三次屈曲现象,对比经验公式和试验结果等过往研究结论,一致性良好。

二维冰-水-结构物作用的近场动力学模拟

为探讨冰、水、结构物之间的相互作用关系,采用近场动力学方法建立二维冰-水-圆柱结构物的运动计算模型,采用近场动力学微分算子模拟海水流动,采用常规态型近场动力学模拟海冰的损伤行为以及海冰与结构物之间的作用。进一步研究不同圆柱结构物移动速度和直径对冰载荷的影响,将数值计算结果与试验结果进行对比以验证方法的可行性,为研究冰、水、结构物相互作用提供理论支撑。

基于近场动力学理论的裂纹模型波场数值模拟及频散特性分析

近场动力学理论采用积分形式的运动方程,能够有效避免空间偏导数不存在的问题,在模拟不同材料发生裂纹扩展、断裂破坏等不连续问题方面有着广泛应用,但是对近场动力学理论中波的传播问题和频散特性研究较少。为了研究近场动力学理论中应力波的传播规律,考虑平面应力情况,建立积分形式的运动方程,在均匀各向同性模型及含水平裂纹模型下进行了波场数值模拟,并与经典连续介质理论中的纵波和横波波场进行对比分析。基于常规态型近场动力学理论的运动方程,详细推导了一维和二维情况下的频散关系,并探讨了邻域内物质点数、邻域半径和形状参数等近场动力学参数对频散曲线的影响。在波场数值模拟中,线性近场动力学理论中固体与经典连续介质理论中线弹性介质的波场数值模拟结果具有良好的一致性,介质内裂纹的存在会阻碍波的传播;在频散特性分析中,所选邻域半径越小、形状参数越大,线性近场动力学理论中的频散特性越接近经典连续介质力学理论中的频散特性。

冰柱冲击问题的数值仿真分析

为研究近场动力学(PD)方法在冰力学行为领域的应用特性及在冰破坏数值预报过程中的参数敏感性,采用常规状态型近场动力方法系统地计算分析了冰柱冲击破坏过程,并进行了参数敏感分析.结果表明:该方法模拟冰冲击过程与试验对比结果基本一致,在选定的时间步长和粒子间距下本文的计算结果收敛.海冰冲击速度、泊松比、弹性模量对海冰冲击过程影响明显,而海冰尺寸和断裂韧度对冲击过程影响较小.文章创新之处在于将状态型PD方法应用于海冰冲击问题中,弥补了键型PD方法限制海冰泊松比的缺点.