内聚力界面单元与复合材料的界面损伤分析

推导了一种基于内聚力模型无厚的界面单元，用来模拟复合材料纤维与基体之间的界面层．研究了纤维周期分布的复合材料受横向荷载时。

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。

基于预插黏性界面单元的Koyna重力坝强震破坏过程分析

基于黏性裂缝模型理论,在实体单元中嵌入黏性界面单元(Cohesive Interface Elements),对Koyna重力坝的强震破坏过程进行了二维有限元模拟和分析,并与其它数值方法的结果进行了对比。结果表明,大坝的破坏开裂分布与Koyna大坝实际破坏情况及文献中的模型试验结果基本相符,说明黏性界面单元可以很好地模拟裂缝的断裂和扩展,验证了该方法的有效性。

用界面单元法分析复合材料界面力学性能

本文利用界面单元的固有特性，将其用来模拟复合材料中纤维与基体之间的界面特征，计算了一个沿Ｘ轴方向纤维周期排列的单尾板，在横向载荷作用下的应力分布问题．给出了三相（纤维、基体和界面）特性各种配比时应力分布等高线图以及通过界面时径向应力σｒ的变化情况，反映了界面特性对应力分布的影响．

基于预插黏性界面单元的混凝土细观拉伸断裂过程数值模拟

为确定预插黏性界面单元法模拟混凝土细观拉伸断裂的有效性和适用性,基于黏性裂缝模型理论,在实体单元中嵌入黏性界面单元(cohesive interface elements),对东江拱坝二级配混凝土试件单轴受拉的断裂过程进行数值模拟.按照试件的实际配比计算出各种粒径骨料的数目,采用Monte-Carlo法对混凝土骨料进行随机投放,生成试件的随机骨料模型,研究黏性界面单元的网格密度、骨料随机分布形式及界面单元的断裂参数对混凝土宏观力学性能及断裂模式的影响.结果表明:采用黏性界面单元可有效地模拟混凝土材料细观断裂破坏过程和宏观力学性能.

基于Goodman界面单元的加筋砂土变形破坏有限元数值分析

利用非线性弹塑性有限元,对无加筋砂土和采用光滑铜板的加筋砂土平面应变压缩试验结果进行从小变形到破坏的全过程数值解析。考虑到光滑铜板与砂土之间存在滑移,在有限元分析中采用Goodman连接单元作为界面单元。在有限元分析中还需考虑影响砂土变形强度的诸多特性,包括:(1)围压大小的相关性;(2)强度的各向异性;(3)峰值前应变硬化及峰值后应变软化的非线性特性;(4)剪胀性;(5)应变局部化及剪切带形成特性等。结果表明,利用建议的有限元方法得到的加筋砂土平面应变压缩的应变–应力关系与室内试验结果吻合较好,最大应力比和峰值前刚度非常接近试验结果;提出的有限元分析方法可以较准确地捕捉到砂土的剪切带发生、发展状况,合理地模拟加筋砂土的渐进性破坏特性以及加筋材和砂土之间的相互作用机制。

基于预插粘性界面单元的全级配混凝土梁弯拉破坏模拟

为确定预插粘性界面单元法模拟全级配混凝土梁在弯拉荷载作用下断裂破坏过程的有效性和适用性,基于粘结裂缝模型的基本原理,在混凝土梁的中心区域采用Monte-Carlo法生成随机骨料模型,通过自编程序实现了砂浆单元间和界面处粘性界面单元的预插,对全级配细观混凝土梁的弯拉断裂破坏过程进行数值模拟,模拟结果与相关文献结果吻合良好。研究结果表明:预插粘性界面单元法能够有效地模拟细观混凝土材料的弯拉断裂破坏过程和宏观力学特性。

层合界面单元在混凝土细观数值分析中的应用

采用颗粒交叠区域的微步长迭代自动调整算法,在生成含任意凹凸形骨料颗粒的混凝土数值试件的基础上,为简化大规模运算的复杂度,提高分析效率,着重对混凝土细观数值分析中的单元力学模型及细观组分力学参数的确定,进行了较为细致的研究。对传统各细观组分单元的单一化材质假定进行了改进,引入了一种层合界面单元的分析形式,即在混凝土数值试件规则化映射网格的基础上,将骨料-基质交界过渡层看作规则化网格单元的内嵌结构进行统一分析,大幅减小了各细观组分单独网格划分的前处理压力。进而,分析了层合界面单元中不同材料组分比例及界面层厚度对界面单元力学性质的影响,并通过混凝土试件宏观表征强度的细观数值计算,验证了该界面单元力学模型良好的适用性。

层合界面单元在混凝土细观数值模拟中的应用

为了解决混凝土细观数值模拟中单元数量过多、计算效率不高的问题,提出了层合界面单元的概念。在交叠骨料微步长迭代自动调整算法的基础上,采用任意凹凸型骨料随机配置模型,生成了混凝土细观数值试件。通过对主要影响因素进行组合分析,建立了层合界面单元模型。同时,分析了界面单元中不同材料组分比例及界面厚度对该单元力学性质的影响,进而研究了界面单元对混凝土试件宏观表征强度的影响,并用数值算例验证了模型的有效性。数值算例表明,所建立的层合界面模型较为合理地模拟了混凝土界面过渡区对试件力学性能的影响,揭示了界面强度变化对混凝土试件强度的影响规律。

基于预插黏性界面单元的拱坝地震破坏过程分析

为确定预插黏性界面单元法模拟高拱坝在强震作用下破坏过程的有效性和适用性,基于黏性裂缝模型理论,在实体单元中嵌入黏性界面单元(Cohesive Interface Elements),对小湾拱坝的强震破坏过程进行了数值模拟和分析,模拟结果与损伤模型和振动台试验的结果接近。研究结果表明,地震荷载作用下抗震设防的薄弱部位在拱冠梁顶部范围,预插粘性界面单元法可以有效模拟强震作用下坝体裂缝的断裂和扩展过程。

土层锚固体复合界面单元形式及力学效应研究

土层锚固技术在岩土工程中已得到越来越广泛应用。简单介绍了已有土层锚固界面单元形式的研究现状,分析了土层锚固界面层的特点,提出一种新的复合界面单元,该复合界面单元由接触单元和实体单元构成,其中接触单元作为锚固体与土体之间的滑动摩擦单元,实体单元体现锚杆拉拔时对周围土体的体胀特性。利用ANSYS数值模拟软件,将新的复合单元应用于锚固体与土体之间的界面层,模拟并分析锚杆拉拔时界面层的破坏特征,得到随荷载增大时界面层剪应力分布的变化过程,并将界面层的破坏分为3个阶段,即线性阶段、滑移扩展阶段、滑移阶段。通过土层锚杆原位拉拔试验,得到土层锚杆拉拔的荷载-位移曲线,分析曲线变化特征,并对数值模拟结果进行了验证。

基于内聚力理论的二维二次界面单元在ABAQUS中的UEL程序实现

依据有限元理论,结合内聚力模型法则,推导出二维二次粘结界面单元在大位移情况下的数值格式,得到用形函数表示的单元位移模式、载荷向量和刚度矩阵,并进行了离散化。基于ABAQUS软件的自定义扩展模块,编制了相应的用户单元子程序UEL,通过数值算例验证了该程序的准确性和有效性。这一成果能为在ABAQUS软件中开展相关数值研究,以及开发其他类型的内聚力界面有限单元提供思路和参考。

无厚度界面单元边坡浅基础极限承载力上限值的数值分析

采用研发的有限单元分析程序,并同时考虑以库仑摩擦界面为组成模式的多段式无厚度界面单元,藉以探讨边坡坡角与坡缘距离对边坡坡顶浅基础极限承载力的影响,并应用于不同几何破坏机制条件,计算边坡基础在凝聚性土体的最小荷载上限值,模拟土体间的滑动破坏趋势与渐进式破坏行为。研究分析内容包含:(1)浅基础位于半无限空间;(2)在不同边坡坡角条件下,浅基础位于坡顶边缘处;(3)在不同边坡坡角条件下,浅基础位于不同坡缘距离等。经由数值计算分析结果显示,坡缘距离值愈小或边坡坡角愈陡峭时,边坡浅基础极限承载力值则愈小。换言之,当浅基础位于坡顶边缘处且坡角为垂直开挖情况时,则导致浅基础极限承载力降低约50%。

一种考虑界面相物性影响的界面单元法

界面是由复杂的界面相简化而成的,界面破坏实际是界面相材料的破坏。数值计算为了方便,如经典模型和内聚力模型等,都把很薄的界面相作无厚度化处理。导致只能考虑界面的面力,而无法考虑界面相内的应力(平行于界面方向的应力)。使界面失效准则先天性地排除了界面相内部应力的影响,从界面相材料失效机理的角度来看这是不够严谨的。本文将界面相材料等效为一种弹性连续体,由界面本构关系推导得到了一种新的界面单元。该单元具有界面参数易确定、对界面相物性可以进行等效描述等优点。通过商用有限元软件ABAQUS和用户子程序UEL实现了数值分析,并与直接物理模型的数值模拟结果进行对比,证明了本方法的简便及准确性。通过对不同界面相厚度结构的进一步分析,探讨了本文方法的可行范围。

人机界面单元的高可靠性设计方案

主要描述了人机界面单元的高可靠性设计方案。本文首先对目前人机界面单元的运用情况进行了简述,分析其主要存在的故障点。然后重点分析了不同冗余方案的可靠性指标,并以此指导系统设计。最后对整个产品的实现方案进行了说明。

空心板桥损伤铰缝模拟界面单元法研究

针对既有铰缝损伤模型难以直接利用现场实桥裂缝常规检测信息的问题,提出一种将界面单元和工程中铰缝处横向开裂宽度和竖向错动检测数据相融合的铰缝损伤模拟新方法。基于试验曲线,通过理论解析获得了切向刚度与铰缝开裂和错动位移的变化规律,揭示了破坏过程中切向与法向的交互作用,给出了损伤状态下切向刚度与铰缝开裂大小的关系曲线,拟合建立了法向位移和切向位移与切向刚度的数值方程,据此可获得不同强度和粒径尺寸混凝土铰缝的刚度参数上限值,结合工程案例进行了仿真测试。结果表明:切向刚度随着裂缝宽度而递减,工作范围在0~0.4 mm;当裂缝宽度处于0~2 mm时,耦联刚度值不应忽略,并给出了与铰接板和刚接板相等效的界面单元切向刚度参数值。所做工作有助于促进界面单元在铰缝损伤模拟方面的实用化进程。

基于界面单元的复合材料层间损伤分析方法

为了研究复合材料层间损伤,建立了一种新型零厚度界面单元模型,可以准确地预测复合材料Ⅰ型层间裂纹扩展。模型包括本构关系建立、损伤准则和损伤演化引入,并在大型商用有限元软件ABAQUS用户单元子程序VUEL中实现,采用显示积分方法求解,不存在收敛性问题,同时允许使用较粗的有限元网格。最后将该模型应用于国产碳纤维增强树脂基复合材料(CCF300/5428)双悬臂梁试验(DCB)模拟分析中,结果表明,此界面单元模型能够准确模拟复合材料层板Ⅰ型裂纹扩展,为复合材料层间损伤分析提供了一种有效的方法。

复合材料疲劳分层的界面单元模型

提出一种三维黏聚力界面损伤模型,可以描述单调和交变载荷下层合复合材料混合型的分层损伤。损伤用界面所经历过的最大位移间断来定义,交变荷载下一个周期的加、卸载过程均考虑有损伤积累,模型还考虑了单调和疲劳损伤的门槛效应和交变载荷下裂纹的闭合效应。建立了包含该界面损伤模型的初始无厚度八节点等参界面单元,并引入加速损伤的算法,用一次计算循环代替若干次实际循环,提高计算效率。用该单元模型对某复合材料动部件疲劳分层裂纹的形成和扩展进行了模拟,得到了分层裂纹前沿界面局部损伤和结构疲劳分层的发展规律,模型预测的裂纹长度荷载循环次数对数(alogN)曲线和结构剩余刚度与试验数据吻合。

一种层压复合材料组合界面单元及有限元模型

为了高效模拟计算复合材料层合板的层间损伤,提出了一种由刚性元和零厚度的内聚力单元组合而成的新型组合界面单元,并提出了以弯曲板单元作为子层单元,与上述界面单元结合构成的层合板三维有限元模型,通过界面单元刚度的连续衰减模拟分层损伤累积过程。有限厚度的八结点组合界面单元每个结点有5个自由度,能考虑子层结点平动和转动对层间损伤的作用。通过对双悬臂梁(DCB)和末端缺口弯曲(ENF)试验的计算模拟表明,新型组合界面单元和有限元模型能很好地模拟复合材料层合板的分层损伤过程,对不同的网格划分有很好的适应性。

基于界面单元的复合材料Ⅱ型层间损伤分析

为了研究复合材料层间损伤,建立了一种新型零厚度界面单元模型,可以准确地预测复合材料Ⅱ型层间分层扩展。模型包括本构关系建立、损伤准则和损伤演化引入,并在大型商用有限元软件ABAQUS用户单元子程序(VUEL)中实现,采用显示积分方法求解,不存在收敛性问题。将该模型应用于国产碳纤维增强树脂基复合材料CCF300/5428端部缺口弯曲试验(ENF)模拟分析中,结果表明,此界面单元模型能够准确模拟复合材料层板Ⅱ型裂纹扩展,为复合材料层间损伤分析提供了一种有效的方法。