基于统一相场理论和内聚力模型的钢纤维混凝土界面过渡区力学性能研究

为探究数值模拟中界面过渡区不同建模方式对钢纤维混凝土力学性能及其损伤、破坏过程的影响,基于统一相场理论和内聚力模型,针对含单根钢纤维的混凝土拉伸试验,采用2种方法建立钢纤维混凝土界面过渡区的数值计算模型,对比分析不同建模方式对钢纤维混凝土力学性能及其破坏形态的影响,并考察不同因素对含单根钢纤维的混凝土极限抗拉强度的影响。结果表明,对混凝土基体部分采用相场断裂模型、界面过渡区采用内聚力模型,无论是计算结果还是细观破坏形态,都具有较好的准确性和可靠性;初始裂缝位置取30 mm和35 mm的钢纤维混凝土抗拉强度比取25 mm时分别提高30.8%和75.7%,钢纤维埋置角度为15°,30°和45°时的钢纤维混凝土抗拉强度比0°时分别降低12.2%,30.8%和48.9%,钢纤维增强作用受初始裂缝位置及钢纤维埋置角度影响较大,受钢纤维直径影响相对较小。采用统一相场理论可降低分析的难度、保证较高的计算精度,为研究钢纤维混凝土的损伤、断裂过程提供了理论参考。

基于统一相场理论的早龄期混凝土化-热-力多场耦合裂缝模拟与抗裂性能预测

受水化反应和热量传输等过程影响,混凝土在养护阶段会发生受约束收缩变形,并由此在结构内引发较大的拉应力,而此时混凝土力学性能往往还处于较低水平,容易导致建造期混凝土结构即出现裂缝等病害.这种早龄期混凝土裂缝对核安全壳、桥梁隧道、地下结构、水工或海工结构等重大土木工程和基础设施的全生命周期完整性、耐久性和安全性造成严重影响.为了准确预测早龄期混凝土抗裂性能并量化裂缝演化对混凝土结构行为的不利影响,亟需开展化-热-力多场耦合环境下的混凝土裂缝建模与抗裂性能分析研究.针对这一需求,本工作在前期提出的固体结构损伤破坏统一相场理论基础上,考虑开裂过程与水化反应、热量传输等之间的相互影响,建立裂缝相场演化特征(包括基于强度的裂缝起裂准则、基于能量的裂缝扩展准则和基于变分原理的扩展方向判据等)与混凝土水化度和温度之间的定量联系,提出混凝土化-热-力多场耦合相场内聚裂缝模型,发展相应的多场有限元数值实现算法并应用于若干验证算例.数值模拟结果表明,上述多场耦合相场内聚裂缝模型合理地考虑了水化反应、热量传输、力学行为以及裂缝演化之间的耦合效应,揭示了早龄期混凝土热膨胀变形和自收缩变形的相互竞争机理,且分析结果不受裂缝尺度和网格大小等数值参数的影响,实现了早龄期裂缝演化全过程准确模拟和抗裂性能定量预测,有望在混凝土结构早龄期裂缝预测和控制方面发挥重要作用.

固体结构损伤破坏统一相场理论、算法和应用

固体开裂引起的损伤和断裂是工程材料和结构最为普遍的破坏形式.为了防止这种破坏,结构设计首先必须了解裂缝在固体内如何萌生、扩展、分叉、汇聚甚至破碎;更重要的是,还需要准确量化这些裂缝演化过程对于结构完整性和安全性降低的不利影响.针对上述固体结构损伤破坏问题,本工作系统地介绍了笔者提出的统一相场理论、算法及其应用.作为一种裂缝正则化变分方法,统一相场理论将基于强度的裂缝起裂准则、基于能量的裂缝扩展准则以及满足变分原理的裂缝路径判据纳入同一框架内.不仅常用的脆性断裂相场模型是该理论的特例,还自然地给出了一类同时适用于脆性断裂和准脆性破坏的相场正则化内聚裂缝模型即PF-CZM.该模型非常便于通过有限元等方法加以数值实现;为了求解有限元空间离散后得到的非线性方程组,还介绍了几种常用的数值算法,其中整体BFGS拟牛顿迭代算法的计算效率最高.静力、动力和多场耦合条件下若干二维和三维代表性算例表明:相场正则化内聚裂缝模型PF-CZM能够高精度地再现复杂裂缝演化导致的脆性和准脆性固体损伤破坏;特别是,所有情况下,模型的数值结果不依赖于裂缝尺度参数和有限元网格.因此,该模型具有相当好的预测能力,有望在工程结构的损伤破坏分析方面发挥重要作用.最后建议了若干值得进一步开展的研究课题.

基于统一相场理论的锂电池电极颗粒断裂模拟研究

锂电池充放电过程中,锂离子的脱出和嵌入会引发电极颗粒的不均匀体积变化和机械应力.上述锂离子扩散过程诱发的应力与电极颗粒的尺寸大小、截面形状和冲放电速率有关,可能会导致电极颗粒出现裂缝起裂、扩展甚至断裂等力学失效,对锂离子电池的容量和循环寿命等性能产生不利影响.为准确模拟并预测电极颗粒的力学失效过程,在笔者前期提出的统一相场理论框架内进一步考虑化学扩散、力学变形和裂缝演化等耦合过程,建立化学–力学耦合相场内聚裂缝模型,发展相应的多场有限元数值实现算法,并应用于二维柱状和三维球体锂电池电极颗粒的力学失效分析.由于同时涵括了基于强度的起裂准则、基于能量的扩展准则以及基于变分原理的裂缝路径判据,这一模型不仅适用于带初始缺陷电极颗粒的开裂行为模拟,而且适用于无初始缺陷电极颗粒的损伤破坏全过程分析.数值计算结果表明,相场内聚裂缝模型能够模拟锂离子扩散引发的电极颗粒裂缝起裂、扩展、汇聚等复杂演化过程,可为锂离子电池电极颗粒的力学失效预测和优化设计提供有益的参考.

基于相场理论的沥青自愈合微观进程与机理研究进展

沥青微观相态结构为呈现相分离现象的"蜂状结构",沥青微观相态结构与其裂缝的萌生、扩展及愈合密切相关。相场理论是以动力学微分方程表示扩散、有序化势和热力学驱动等过程的研究方法。基于相场理论,可实现沥青疲劳与愈合过程中微观相态结构变化模拟,进而揭示沥青自愈合机理。论文介绍了扩散界面、相场变量、自由能函数、相场控制方程等相场理论的基本概念,综述了相场理论在沥青疲劳损伤及自愈合中的研究进展,并提出未来研究中可考虑进行相场与温度场、结晶场的多场耦合分析,并建立沥青相场模型与流变模型、化学组分间的联系,以深刻理解沥青自愈合微观进程与机理。

基于多元相场理论的细菌生物膜生长动力学建模及其数值模拟

细菌生物膜普遍存在于自然界和工业环境中.将细菌生物膜视为由多种组元组成的不可压缩的黏性流体,结合多元相场理论、物质连续方程、动量守恒方程、溶质场控制方程和生物反应动力方程对细菌生物膜生长动力学进行建模.通过对模型的数值模拟,可以描述细菌和胞外聚合物在静态环境和动态环境中的生长状况以及营养物质的消耗规律.

基于相场理论的高压共轨泵集油板裂纹扩展模拟

高压共轨泵在试车或服役过程中,集油板出油孔附近经常发生漏油故障,严重制约着高压共轨泵的服役寿命。本文基于相场理论,建立了高压共轨泵集油板油孔附件裂纹扩展的有限元模型,分析了油孔附近裂纹扩展规律,并结合磁粉探伤验证有限元结果的可靠性,为高压共轨泵集油板结构和材料的优化提供理论依据。

锆钛酸铅铁电薄膜畴壁导电的相场理论研究

铁电材料中的畴壁因具有不同于电畴内部的能量及极化分布情况而具有特殊的电磁性能.随着电镜技术的发展,铁电薄膜畴壁的导电性日益受到广大科研工作者的关注.畴壁导电是指在绝缘的铁电体材料中,在一定条件下畴壁充当导体传导电流.此传导电流不同于畴结构发生翻转时产生的位移电流.目前越来越多的实验已经探测到多种铁电材料畴壁中的传导电流,但其导电机理在理论上一直没有达成共识.该文采用相场理论模拟二维铁电薄膜的畴壁,通过在薄膜表面施加均匀电场,构造180°畴壁,然后在畴壁处加载局部电压,从理论上研究畴壁的导电性.结果发现:由于电场的施加,畴壁处电势比畴内电势高,载流子聚集在畴壁处;在畴壁处加载局部电压得到电流,畴壁处的电流值随着加载的局部电压值增大而增大.

基于统一相场理论的核石墨材料损伤破坏分析

石墨作为高温气冷堆中重要的堆芯结构,其力学性能将会影响核反应堆的完整性和安全性。基于此,文章首先分析了石墨材料的特性,其次对核石墨损伤断裂问题进行了研究,接着分析了数值实现和模拟方法,最后通过三点弯曲梁实验、紧凑拉伸梁实验、L型板拉伸实验对损伤破坏问题模拟算例进行了探究。

基于相场理论的早龄期大体积混凝土工程抗裂研究

在大体积混凝土结构施工阶段,受到水化过程、环境温度、湿度和施工过程等多个因素影响,往往产生混凝土早龄期裂缝问题,给结构的安全性和耐久性带来不利影响。如何准确预测和评估大体积混凝土的抗裂性能是工程上有待解决的难题之一。依据对相场理论和早龄期混凝土水化过程的认识,充分考虑了水化反应、热量传输与裂缝演化之间的相互影响以及工程中复杂的服役环境、养护方式等初始和边界条件的变化,发展了基于统一相场理论的早龄期混凝土水化模型,实现了对工程中早龄期混凝土的水化过程和裂缝演化过程的精细化模拟,并结合某明挖湖底隧道工程,通过对现场实测数据和有限元模拟结果对比验证了方法的正确性和有效性。进而依据对早龄期裂纹发展的分析预测,提出了提高此类工程的有效抗裂性能的控制措施。

基于二元相场理论的细菌生物膜生长动力学建模及其数值模拟

细菌生物膜普遍存在于自然界和工业环境中,并一直受到国内外学者的广泛关注.本文将细菌生物膜视为由两种组元构成的不可压缩的粘性流体,结合二元相场理论、物质连续方程、动量守恒方程、溶质场控制方程和生物反应动力方程对细菌生物膜生长动力学进行建模.通过对模型的数值模拟可以描述细菌在静态环境和动态环境的生长以及营养物质的消耗规律.

硅单晶圆片中V-O2对演变的相场仿真模型

为了开展低温退火过程硅单晶圆片中V-O2对演变的仿真研究,基于相场理论创建了仿真模型,首次完成了介观的V-O2对存在状态及其数量演变的模拟.结果表明:随着退火时间延长,V-O2对数量增加直至饱和且点缺陷相对浓度分布由非平衡态转变为平衡态;这两个演变规律符合实际且产生机理清晰,证实了该模型的合理性及其使用价值.

Ni-Al-Cr原子间近邻作用势及沉淀过程的相场法模拟

基于微观相场理论研究了不同原子间近邻作用势(W)对Ni-Al-Cr合金析出过程和微观结构的影响。根据原子间近邻作用势与长程序参数方程的L10、L12和D022相的原子间近邻作用势公式,计算出Ni-Al-Cr合金的L10、L12和D022相的不同原子间近邻作用势。结果表明:随着温度的增长/减小,原子间近邻作用势近似呈线性增长/减小;随着溶质原子浓度的增长以及长程序参数的增大,原子间近邻作用势均呈上升趋势;Ni-Al、Ni-Cr、Cr-Al原子间近邻作用势的变化对L10、L12和D022析出相的沉淀形貌和体积分数的影响也各不相同:Ni-Al的第二近邻作用势的变化对于沉淀形貌和体积分数几乎无影响,而Ni-Cr第四近邻作用势的变化对沉淀形貌和体积分数的影响非常大。同时发现与其他方法相比,所得不同原子间近邻作用势结果近似,且沉淀形貌与实验结果吻合。

材料塑性成形与热处理一体化工程的理论基础

材料塑性成形与热处理一体化工程的理论基础 ,主要为应力—相变—形变间冶金交互作用和力学交互作用的机制、建模以及组织与性能变化的模拟。以钢为例 ,介绍了应力下铁素体、珠光体相变的文献工作 ,并提出 0 38C -Cr -Mo钢在应力下铁素体形成和珠光体相变的动力学模型以及组织变化的计算机模拟 ;讨论了Scheil相加性原则的不足及其修正途径 ;略述应力对钢中贝氏体相变及马氏体相变的影响 ;简介相场理论及其应用。对材料在应力下相变理论。

射孔参数对硬质岩石起裂压力的影响规律研究

BZ气田中深部地层以硬质岩石为主,储层起裂压力大,压裂作业的难度与危险性大。射孔孔道是传递压裂动力的通道,合理的射孔参数设计能够降低储层的起裂压力。基于断裂相场理论,结合压裂液流动-岩石应力损伤耦合方程,建立基于相场法的裂缝扩展模型,并通过现场数据验证模型的可靠性。结合BZ气田岩石力学数据及射孔弹打靶试验,采用压裂数模软件模拟不同射孔方案下硬质岩石的起裂压力变化规律。研究结果表明:定向射孔时,沿水平最大主应力方向射孔岩石的起裂压力最小;螺旋射孔时,相位越大,孔密越小,起裂压力越大;不考虑孔道摩阻的影响,孔径对起裂压力影响较小;起裂压力随着穿深的增加而降低,且穿深小于100 mm时起裂压力的降低幅度最大。建议BZ气田采用定向射孔,射孔方向沿水平最大主应力方向,射孔孔密大于每米16孔,射孔弹穿深大于100 mm,孔径尽量大;如果采用螺旋射孔,则射孔相位要小于60°。该研究成果为BZ等硬质岩石油气田储层压裂改造射孔参数优选提供参考,可提升储层压裂效果。

相场法模拟吹气法制备泡沫铝过程中的铝液气泡演化过程

针对吹气法制备泡沫金属过程中产生气泡稳定性不易判断问题,本文利用相场法理论,引入长程有序化参数作为场变量,描述并模拟泡沫铝和泡沫铝合金气泡演变过程中的结构尺寸的变化.通过模拟分析发现,相场法可以通过场变量简单明了的表征各种复杂的几何图形,包括气泡的几何形状、空间分布以及体积分数等,并且其模拟结果与实验观察结果具有良好的吻合性.

二次电池中金属锂负极沉脱机理研究进展

金属锂负极是下一代高比能二次电池备受关注的负极材料,以金属锂为负极的锂金属电池具备极高的理论能量密度,但其仍存在充放电循环效率低、电池寿命短等问题。要实现高能量密度高安全性的锂金属电池的合理设计和优化,需要对金属锂负极中锂金属沉积脱出过程的离子输运、电子输运、界面反应等机制机理有清晰的认识。本文针对金属锂负极中存在的枝晶生长、死锂形成、固体电解质界面膜作用等机理问题,综述了研究者们在其沉脱机理的模型与理论计算、实验研究等方面做出的诸多研究进展,为锂金属电池的合理设计提供了更全面的机理认识。

晶粒间交互作用对铁电薄膜畴结构和翻转性能的影响

非易失性铁电存储器由于具备一系列优良的特性被视为最具有潜力的存储器之一.实验上制备出的铁电材料多为多晶材料,并且晶粒取向、晶粒大小分布不均匀,而这些因素都会影响材料的铁电性能.前人在关于多晶铁电材料的研究上做出了很多贡献,但晶粒间相互影响的内在机理还不明晰.该文建立了多晶铁电薄膜的相场模型,研究了某一晶粒取向的改变对其他晶粒以及整个薄膜材料畴结构和畴翻转性能的影响,进一步探讨了晶粒间的交互作用.结果表明,随着晶粒取向的改变,晶粒内部畴结构会发生相应的旋转,并且其左右相邻的晶粒畴结构会随之发生旋转.另外,由于长程电交互作用的影响,在外加周期电场情况下,左右相邻的晶粒边界处极化方向会趋于一致.而当其他晶粒取向为0°,薄膜右下角晶粒取向从0°不断增大至90°时,薄膜的剩余极化和矫顽场不断增大,特别是晶粒取向差异较大时会导致顽固的印记失效现象,并且无法通过增强外加电场消除,因此,在实验上应该避免大的取向差异,同时保留一定的取向差异以获得更大的剩余极化.