基于有限扩展优势关系的粗糙决策分析方法

针对基于扩展优势关系的粗糙决策分析方法的局限性,本文给出了一种新的基于拓展粗糙集的多属性决策分析方法。首先提出了有限扩展优势关系的概念;其次在有限扩展优势关系下得到知识的粗糙近似,给出了分类决策规则;第三,通过对比分析,证明了新方法的性能优于现有方法;最后通过一个实例验证新方法的可行性和有效性。

基于有限元技术的疲劳裂纹扩展方法研究进展

疲劳裂纹是引起工程结构断裂失效的重要因素之一.目前疲劳裂纹扩展的有限元仿真商业软件有ANSYS、ABAQUS、FRANC3D、ZENCRACK等,这些软件为疲劳裂纹扩展过程的研究提供了有力支撑.本文对目前疲劳裂纹扩展的有限元仿真方法进行了综述.阐明了疲劳裂纹的定义以及研究疲劳裂纹扩展行为的必要性;介绍了三种用于模拟疲劳裂纹扩展的有限元方法:扩展有限元法(XFEM)、内聚力模型(CZM)和虚拟裂纹闭合技术(VCCT);分别总结了三种方法的基本理论和核心思想,对三种方法的应用与发展进行了分类归纳;最后对三种有限元方法进行分析,指出每种方法各自的优势及目前存在的局限性,并对疲劳裂纹扩展有限元仿真技术的未来改进方向给出了建议.

油藏组分模型的无网格扩展有限体积法

本文开发了油藏组分模型的首个无网格数值求解器。该无网格求解器使用生成时受拓扑约束较少的点云和扩展有限体积法分别离散油藏计算域和控制方程,可以直接使用网格类模拟器中已有的非线性求解器计算全局非线性离散方程组而获取油藏计算域压力、相饱和度和组分浓度的分布。采用两个典型的油藏组分模型算例(包括CO_(2)驱和蒸汽驱)用以检验该无网格模拟器的计算表现。算例结果表明,相较于网格类方法,该无网格模拟器能够显著降低对复杂油藏计算域的离散难度,且能避免笛卡尔网格有限体积法的网格取向效应,提高了计算精度和非线性求解的收敛效率。

基于扩展有限元方法的自愈微胶囊和基体力学性能适配的研究

微胶囊自修复树脂矿物复合材料作为一种自愈合智能材料得到了广泛的应用。微胶囊及时开裂,释放愈合剂从而修复基体中产生的微裂纹,是确保其自愈性能的关键。本工作基于扩展有限元方法结合内聚力模型,分析在不同偏置裂纹下微胶囊和环氧树脂基体之间的力学性能配比以及界面性能对裂纹扩展路径和微胶囊可裂性的影响。研究结果表明:(1)裂纹的扩展路径主要取决于微胶囊与基体的断裂性能配比,而弹性性能配比起次要作用。(2)当界面具有足够的粘结强度时,相对于断裂韧性配比,微胶囊与基体的断裂强度配比是影响微胶囊开裂的主要因素。(3)裂纹的偏置距离越大,裂纹越容易发生偏转,微胶囊越不容易开裂。(4)界面缺陷的存在有利于界面裂纹的产生,不利于微胶囊的开裂。研究结果可为自修复材料在工程中的应用提供理论依据。

基于扩展有限元的现场尺度水力裂缝扩展机制模拟研究

干热岩储层水力压裂形成复杂缝网对于建设增强型地热系统(EGS)至关重要。为了深入认识干热岩储层水力裂缝扩展机制,揭示工程参数和地质参数对水力裂缝扩展的影响规律,本文以青海共和盆地某干热岩储层为研究对象,基于扩展有限元(XFEM)数值模拟软件ABAQUS展开研究,建立现场尺度的干热岩储层模型,实现热流固耦合分析水力裂缝的扩展机制。结果显示:正断型应力状态下,裂缝发生了很明显的朝向Z轴的转向,走滑型应力状态下,裂缝扩展主要沿水平方向,有轻微倾向于Z轴转向的趋势,逆冲型应力状态下,裂缝沿水平方向扩展;随着弹性模量的增大,裂缝的起裂压力减小,裂缝延伸的注水压力也减小,弹性模量越大裂缝起裂的时间越早,泊松比越大水力裂缝的破裂压力越大,破裂压力整体呈现出正断型>走滑型>逆冲型;随着温度的升高,水力裂缝破裂压力减小,大约降低2~3 MPa左右,3个应力状态下都呈现出相同的趋势。本文丰富了干热岩水力裂缝扩展的数值模拟手段,相关研究成果可为干热岩储层中水力压裂扩展预测与不同参数对其的影响分析提供技术支撑。

基于扩展有限元、内聚力单元和单元失效的受弯钢筋混凝土梁数值模拟分析

利用Abaqus中扩展有限元法、内聚力单元和显示动力分析模块下单元失效分析钢筋混凝土梁的受弯响应,对比混凝土4点受弯梁试验和有限元分析的整体性能、损伤与失效,提出混凝土的精细化建模方法。根据模拟结果可知:扩展有限元法和内置内聚力单元模拟混凝土整体性能和拉裂行为精度较高;扩展有限元法模拟的混凝土裂纹扩展路径自由,适合对受力或相互作用复杂的混凝土进行精细化建模与损伤分析;内置内聚力单元的裂纹形成与扩展依赖单元网格密度与形状,适合在相关理论成熟或试验数据全面的基础上做影响参数分析;设置单元失效准则可同时模拟混凝土的压溃和拉裂行为,但损伤发展较快,精度偏低。

基于扩展有限元法的传热管贯穿裂纹应力强度因子计算

蒸汽发生器作为压水堆的重要压力边界,其传热管是否破损直接关系到反应堆的运行安全。为解决蒸汽发生器中传热管疲劳裂纹扩展数字孪生中裂纹长度的预测问题,本文通过ABAQUS软件,对已存在贯穿裂纹的传热管进行建模,比较其自带的围线积分法和扩展有限元法(extended finite element method,XFEM)计算应力强度因子(stress intensity factor,SIF)的准确性。在裂纹尺寸a/W>0.5时,XFEM与公式解结果相差较小。因此,采用XFEM计算其在不同应力下的应力强度因子,发现随着裂纹尺寸、载荷的增大,应力强度因子也随着增大,应力值与应力强度因子成正比关系。

基于扩展有限元法梁裂纹扩展有限元分析

基于ANSYS有限元平台的扩展有限元方法(XFEM),应用最大周向应力准则判断裂纹扩展趋势,对三点弯曲混凝土梁裂纹扩展过程进行数值模拟。构建了加载过程中荷载-裂纹张开位移曲线(F-CMOD),并模拟裂纹扩展全过程。对比数值模拟与实验所得的荷载-裂纹张开位移曲线,对比发现二者较为吻合,进一步证明数值模拟的可靠性。求解了不同加载时间的应力强度因子,并建立了应力强度因子随时间变化曲线,相比于其他求解方式,扩展有限元有着裂纹网格划分简单等优势。

基于扩展有限元法的水工压力隧洞水力劈裂分析

考虑裂隙面水压力作用的虚功原理,采用扩展有限元法分析水工压力隧洞水力劈裂问题的控制方程,对水工压力隧洞的水力劈裂进行了数值模拟分析。计算结果表明,水力劈裂对隧洞内壁周边应力场的影响较大,对远离隧洞内壁处应力场的影响较小,考虑水力劈裂计算得到的环向位移要大于不考虑水力劈裂计算得到的环向位移;水力劈裂对II型应力强度因子影响较小,水力劈裂导致I型应力强度因子增大;侧压力系数对II型应力强度因子影响较小,对I型应力强度因子影响较大,且随着侧压力系数增大,I型应力强度因子也不断增大;随着裂隙扩展,洞顶和洞右侧控制点的径向位移不断增大,而洞右侧与洞左侧的环向位移也不断增大。

位移外推法和扩展有限元法计算应力强度因子的比较

作为评定裂缝是否扩展的重要参量,应力强度因子的计算精度影响材料性能的评估。通过含预制裂缝的三点弯曲梁、矩形板中心裂缝、矩形板中心斜裂缝和矩形板中心界面裂缝模型4个数值算例,采用位移外推法和扩展有限元法分别计算了裂缝尖端应力强度因子。将计算结果与解析解或其他数值方法参考解进行对比验证了上述两种方法的计算精度。此外,探讨了网格密度对应力强度因子求解精度的影响以及剔除裂尖附近的结果对位移外推法求解应力强度因子的影响。发现位移外推法可以通过对裂尖进行网格局部加密和去除裂尖奇异点来提高精度;扩展有限元法对网格密度要求相对较小,综合计算时间考虑,可以适当增加网格密度。结果可为求解应力强度因子和针对试验-数值耦合法计算断裂韧度提供参考。

基于扩展有限元法的钢桥面横隔板弧形切口疲劳裂纹扩展特性研究

为了解正变异性钢桥面板横隔板弧形切口疲劳开裂的规律,以某跨径350 m的独塔单跨钢箱梁自锚式悬索桥为背景,基于扩展有限元法建立纵肋-横隔板弧形切口多尺度裂纹扩展数值模型,求解弧形切口在轮载作用下的应力强度因子,分析轮载-热残余应力耦合作用下的疲劳裂纹扩展形态和特性。结果表明:当顺桥向车轮作用于弧形切口正上方时,应力强度因子急剧增大,基于该响应曲线可以识别疲劳荷载模型的轴组,但无法识别轴组内的单轴。弧形切口切向热残余拉应力峰值达到341.1 MPa,使得轮载作用下的压应力幅转换为拉应力幅,裂纹扩展方向与实桥疲劳裂纹的扩展形态基本吻合。由于弧形切口处于复杂的三维变形状态,以面内变形为主,因而弧形切口为Ⅰ型断裂主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹扩展模式,裂纹扩展速率与应力强度因子幅均随着裂纹扩展呈现出先增大后减小的趋势。

基于扩展有限元的含缺陷混凝土微裂纹模型构建及其应用

本文提出了一种多尺度的数值模型来模拟混凝土材料内部的微裂纹扩展,描述微裂纹的萌生、扩展、聚合直至形成宏观裂纹最终材料破坏的全过程。该方法基于扩展有限元理论框架实现,使得骨料边缘和界面过渡区不必和单元边界重合,整个结构可划分为十分规则的网格。作为分析案例,对混凝土试件单轴受拉过程进行仿真模拟,结果表明,骨料体积含量减小时,强度呈现上升的趋势,有限元分析结果与试验结果吻合良好,验证了模型的合理性。该数值模型从断裂机理出发,完整地描述了混凝土内部微裂纹扩展的全过程,可为类似混凝土准脆性材料的多尺度数值分析和理论研究提供参考。

基于扩展有限单元法和弥散裂缝法的玄武岩纤维混凝土构件裂缝扩展研究

混凝土水工结构具有易裂性和水敏感性,在季节性冻土地区容易因裂缝扩展而形成裂-渗-冻的互馈破坏机制,这对混凝土水工结构的耐久性影响很大.掺有玄武岩纤维的混凝土结构的抗裂性能优越.为准确刻画混凝土构件裂缝的扩展情况,在力学性能实验基础上,通过扩展有限单元法及弥散法对玄武岩纤维混凝土结构进行开裂分析,探索裂缝分析的相关参数设定,研究不同方法下裂缝扩展的特点及规律.结果表明,弥散裂缝法可确定模型开裂的基本位置,再结合扩展有限单元法进行更准确的预测,可达到较好的模拟结果.可为玄武岩纤维混凝土结构在抗裂方面的应用研究提供参考.

径向井辅助前置液酸压裂缝扩展数值模拟

基于扩展有限元及双尺度连续模型理论建立径向井辅助前置液酸压裂缝扩展模型,引入偏离系数作为量化评价指标,分析各因素对裂缝形态的影响,并利用灰色关联分析方法明确主控因素。结果表明:径向井对前置液酸压裂缝扩展具有显著引导作用,裂缝优先沿径向井方向起裂并扩展一定距离,而后逐渐偏向最大水平主应力方向;径向井方位角、水平地应力差和地层弹性模量越小,径向井长度越长,偏离系数越小,径向井引导效果越好,其中水平地应力差为主控因素;当径向井方位角为15°时,前置液酸压裂缝沿着径向井方向扩展14.32 m后偏向最大水平主应力方向,径向井的引导效果最好,偏离系数为0.005。

水中高压电脉冲作用下径向预制裂纹扩展规律

为研究水中高压电脉冲作用下页岩多条预制裂纹同步扩展应力干扰作用对裂纹扩展影响,通过裂纹扩展轨迹、扩展长度、平均宽度、偏转角度和裂纹间等效应力分布的变化规律,综合考虑裂纹夹角、裂纹数量、水平地应力差等因素对裂纹起裂、扩展的影响。采用真三轴高压脉冲水力压裂试验平台进行实验室压裂试验和扩展有限元法(extended finite element method, XFEM)数值模拟计算,利用PCAS(pore and cracks analysis system)裂隙分析软件分析裂纹几何形态特征。结果表明:水中高压电脉冲作用下,预制裂纹可沿径向及轴向起裂、扩展;径向双裂纹间夹角越大,缝间干扰作用越弱,裂纹扩展曲折程度越好,扩展效果越好;等夹角径向三裂纹扩展,中间裂纹受应力干扰、受抑制作用最大,不等夹角径向三裂纹扩展,远离中间裂纹的右侧裂纹受干扰最小,扩展效果最好;随着水平地应力差增加,裂纹间应力干扰作用增强,裂纹扩展效果逐渐减弱。研究成果可为分析水中高压电脉冲作用下页岩多预制裂纹扩展过程和规律提供一定的参考。

随机轮载下钢桥面顶板与纵肋焊缝疲劳裂纹扩展特性研究

车辆轮迹横向分布是钢桥面板焊缝处产生随机应力谱的一项关键因素,加之焊接缺陷形态的随机性,诱发钢桥面板疲劳裂纹随机扩展行为。为了研究钢桥面顶板焊缝处疲劳裂纹的随机扩展特性,基于断裂力学理论与扩展有限元方法分析了轮迹横向分布对钢桥面板顶板焊根和焊趾等效应力强度因子的影响规律,揭示了轮迹横向分布离散度、初始裂纹深度和初始裂纹形态比对焊缝处疲劳裂纹随机扩展路径分布的影响规律。结果表明:轮载中心处于U肋正上方中心和焊缝中心位置分别为顶板焊趾和焊根的最不利横向加载工况;车辆轮迹横向分布对顶板焊根和顶板焊趾疲劳裂纹前缘应力强度因子影响差异显著,顶板焊根最大等效应力强度因子为85.99 MPa·mm^(1/2),比顶板焊趾增加了6.72%;轮迹横向分布离散度和初始裂纹深度与钢桥面板焊缝处疲劳裂纹随机扩展路径分布离散程度成正相关,初始裂纹形态比与其成负相关;焊缝细节初始裂纹深度越大,车辆荷载对其横向影响范围越大;焊缝细节初始裂纹形态比越大,车辆荷载对其横向影响范围变化不明显。

一种结合晶体塑性及扩展有限元的短裂纹扩展模拟方法

多晶金属材料的疲劳短裂纹扩展过程受到晶粒尺寸、晶体取向和晶界阻碍等微观组织影响,导致裂纹扩展速率呈现明显的波动特征;在相同应力强度因子下,短裂纹扩展速率比长裂纹扩展速率高,基于长裂纹扩展模型预测短裂纹扩展过程往往得到偏危险的结果。因此,结合晶体塑性与扩展有限元,本文提出了一种反映微观组织影响的短裂纹扩展模拟方法,并通过粉末高温合金FGH96疲劳短裂纹扩展原位试验进行验证。以电子背散射衍射(EBSD)检测结果为输入,建立短裂纹扩展细观有限元模型,表征晶粒尺寸、晶体取向影响;将晶体塑性引入扩展有限元法,基于滑移系本构及塑性切应变率表征晶界阻碍影响。结果表明:该方法可有效描述短裂纹扩展速率的波动特征,短裂纹扩展寿命预测精度得到显著提高。

孔洞对疲劳裂纹扩展路径的影响

为了研究孔洞位置和尺寸对疲劳裂纹扩展路径的影响,利用ABAQUS有限元仿真软件建立改进CT试样的裂纹扩展仿真模型,采用扩展有限元法研究了在低周疲劳加载条件下Q235钢圆孔与裂纹尖端的角度、距离以及圆孔半径对裂纹扩展路径的影响,并通过引入裂纹偏转系数来定量描述不同参数对裂纹扩展路径偏转程度的影响。结果表明:当圆孔与裂纹尖端的夹角为45°时,裂纹偏转系数取得最大值;裂纹偏转系数随着孔洞半径的增加逐渐增大,随着圆孔与裂纹尖端距离的增大逐渐减小。

基于扩展有限元法的混凝土重力坝裂缝扩展仿真研究

以坡月水库5#坝块为研究对象,采用扩展有限元法和水容重超载法对该坝块进行裂缝扩展仿真研究,探究该坝块的临界超载系数,研究重力坝坝踵部位裂缝扩展规律。结果表明:①5#坝块在满库水位下的水容重临界超载系数为1.4,可为坡月水库该坝块的极限承载能力提供参考依据。②大坝基本处于受压状态,仅坝踵周围和水力劈裂处产生拉应力,且最大拉应力均出现在坝踵部位。同一超载系数工况下,相同高程处的下游坝面位移比上游坝面位移大;坝体不同高程处的位移随高程的增大而增大;不同超载系数工况下,坝踵部位的拉应力、上下游坝面处的位移均随超载系数增大而增大。③裂缝扩展过程中,应力集中区沿裂缝扩展路径向裂缝尖端部位移动,当裂缝尖端的拉应力达到材料的抗拉强度时,裂缝继续扩展;当应力集中区移动到裂缝尖端且裂缝尖端的拉应力小于材料的抗拉强度时,裂缝停止扩展,研究成果可为重力坝坝踵部位裂缝扩展研究提供参考。

高速篦齿碰摩对封严环裂纹萌生与扩展影响研究

篦齿封严结构碰摩是航空发动机空气系统工作中存在的普遍问题,由于实际碰摩中难以观察到封严环上裂纹萌生与扩展的过程,采用有限元方法进行数值仿真能够对裂纹萌生与扩展过程和机理有更加深入的认识。建立碰摩后带磨损槽的封严环模型,考虑了封严环表面对流换热、碰摩力和碰摩温度,采用扩展有限元法(XFEM)对封严环碰摩温度场、应力场以及裂纹的萌生与扩展进行数值研究,并将仿真分析结果与碰摩试验裂纹结果进行对比。结果表明:数值仿真所得到的裂纹萌生位置及扩展方向均与碰摩试验中实际产生的裂纹基本一致,揭示了裂纹产生的机理,证明了该模型能够较好地模拟碰摩所导致的裂纹萌生与扩展过程。