基于黏聚区模型的Z-pin增强复合材料T型接头分层损伤研究

复合材料T型接头Z-pin增强就是将直径非常细的金属或复合材料pin针植入筋条-蒙皮截面,通过Z-pin的桥接牵引提高接头力学性能。采用ABAQUS有限元软件分别建立了T型接头与Zpin增强T型接头的三维数值计算模型。基于黏聚区模型,采用新的简化后Z-pin桥接牵引关系模拟Z-pin增强作用过程。模拟了T型接头的拉伸失效模式,计算了其拉伸强度和总耗散能,对比分析了有无Z-pin增强2种接头的载荷-位移曲线和损伤耗散能-位移曲线。数值计算结果与文献中数据符合较好。结果表明:Z-pin增强T型接头的极限载荷与极限位移相比于无增强T型接头分别提高了66%和304%;2种接头的载荷-位移曲线斜率相同,初始损伤载荷一致;Z-pin增强T型接头在拉伸破坏过程中相比于无增强接头吸收能量多13.74倍。

基于双线形软化黏聚区模型的混凝土路面损伤开裂及承载力分析

为探究混凝土塑性软化对混凝土路面损伤及承载力的影响,基于双线形软化黏聚区模型,结合ABAQUS有限元软件,对三点加载混凝土小梁试验全过程进行模拟.比较了单、双线形软化黏聚区模型,计算了应力比为0.15、0.25、0.35的双线形软化黏聚区模型的模拟误差,分析了Winkler地基上混凝土路面板从加载到断裂全过程的承载力和截面应力分布变化.结果表明,采用应力比为0.25的双线形软化黏聚区模型,小梁的加载力裂纹张开位移曲线模拟结果与试验结果一致,小梁和混凝土板的极限承载力分别出现在底部混凝土发生损伤和开裂阶段,混凝土板极限承载力大小为板底拉应力达到混凝土抗拉强度时的1.75倍,为板底刚开始出现宏观裂缝时的1.09倍.Winkler地基上的混凝土板加载破坏表现出脆性断裂特征.

基于黏聚区模型的混凝土细观断裂分析

为探究混凝土细观结构特征对小梁开裂的影响,通过对混凝土内骨料、孔隙和砂浆进行参数化建模以及在结构单元间插入黏结单元的方法,建立了混凝土小梁细观开裂分析模型.对三点加载小梁断裂全过程进行了模拟,分析了孔隙率、骨料体积分数和骨料-砂浆界面强度等细观结构特征对小梁开裂和承载力的影响.结果表明:小梁承受荷载、裂缝形态及扩展路径的数值模拟结果与试验结果一致,验证了模型的可靠性;当孔隙率从0增大到6%,小梁极限承载力减小24.5%,裂缝沿孔隙多的路径扩展;当骨料体积分数从20%增大到50%,小梁极限承载力增大17.4%,开裂消耗的断裂能增加;当骨料-砂浆界面强度从1.24 MPa增大到3.10 MPa,小梁极限承载力增大30.3%,且随骨料-砂浆界面强度增加而线性增长.

基于黏聚区模型的沥青路面反射裂缝数值模拟

为研究半刚性基层沥青路面反射裂缝的扩展规律,结合ABAQUS有限元软件,采用双线性黏聚区模型模拟了半圆弯曲试验断裂过程,将模拟得到的荷载-线位移曲线与试验结果进行对比以验证黏聚区模型在开裂分析中的适用性,其次使用弹簧单元模拟Winker地基,同时将黏聚区模型应用在沥青路面有限元模型中,研究沥青面层反射裂缝扩展规律。结果表明,双线性黏聚区模型在沥青混凝土开裂过程具有良好适用性;在加载过程中半圆弯曲试件经历了弹性、损伤和断裂3个阶段,荷载峰值为试件达到初始损伤点的7.39倍;损伤单元主要集中在轮印正下方,随着加载位移的不断增加,损伤单元向四周扩展,单元逐步失效形成宏观裂缝;路面结构参数中,基层模量、地基反应模量的增加对面层阻止反射裂缝扩展有利,而面层模量的增加则不利于面层阻止反射裂缝扩展。

黏聚区模型在沥青路面反射裂缝模拟中的应用

结合ABAQUS有限元软件,分析了基于牵引力-分离法则的三维黏结单元本构模型与参数;通过对单一黏结单元施加位移荷载,对比了不同初始损伤与完全失效准则组合下,加载过程中单元应力、位移和应变能的理论计算结果与数值模拟结果,以验证黏结单元的可靠性;将黏结单元布设在开裂基层上方沥青面层可能发生反射开裂的部位,应用黏聚区模型模拟裂缝的发展过程,研究了黏结单元参数和面层厚度对裂缝扩展的影响。分析结果表明:当黏结层刚度由40GN·m-3下降到20GN·m-3时,单侧荷载与对称荷载作用下黏结层中分离位移的比值由1.52增大到13.52,单侧荷载作用下黏结层中剪切位移与张开位移的比值由1.52增大到11.32,说明当潜在裂缝扩展区刚度降低时,沥青层易于产生Ⅱ型剪切裂缝;在交通荷载作用下,沥青面层损伤开裂的路径为首先沥青面层底部发生损伤并向上发展,随后路表轮载作用处附近发生损伤并向下发展,在损伤贯穿沥青面层后,潜在裂缝扩展区刚度的继续下降将使损伤沿道路横向继续扩展;在面层厚度以2cm的梯度由16cm增加到22cm的过程中,黏结层中分离位移分别降低了32.31%、15.22%、9.63%,剪切位移与张开位移的比值由3.24降低到1.10,说明增加面层厚度能有效延缓反射裂缝的扩展,但此延缓效果随着面层厚度的增加而减弱,并且使得面层反射开裂类型由Ⅱ型剪切型开裂逐渐趋于Ⅰ、Ⅱ型混合模式开裂。

双线性黏聚区模型在混凝土路面损伤开裂分析中的应用

为了揭示混凝土路面的损伤开裂机理及其对承载力的影响,考虑混凝土材料的弹塑性,应用非线性断裂力学中的双线性黏聚区模型,结合ABAQUS有限元软件,在预计开裂部位布设黏结单元,模拟了四点加载小梁试件从弹性响应到断裂失效的全过程,以验证双线性黏聚区模型在混凝土损伤开裂分析中的适用性;应用双线性黏聚区模型分析了Winkler地基上混凝土板的断裂特性和损伤后的承载力衰减。分析结果表明:在加载小梁受荷全过程中,梁底应力经历了线性增大、达到混凝土极限强度后减小、最大点上移与变为0等阶段,作用力-加载位移变化与已有研究一致;在加载全过程中,混凝土板的截面应力分布变化与小梁类似;混凝土板在损伤阶段承载力会持续增大,但由于板的支承条件与四点加载小梁不同,板的断裂近似于脆性断裂,无明显承载力衰减过程,板断裂时的极限承载力与弹性阶段临界状态承载力之比为1.32;混凝土板发生初始损伤后,极限承载力最大会衰减至未损伤板的87%,且随着初始损伤程度的增加,极限承载力衰减速率变大。

复合材料加筋板后屈曲分析方法及实验验证

针对碳纤维增强树脂基复合材料T型长桁加筋板轴压载荷下的后屈曲分析方法进行研究。首先,建立有限元模型,应用渐进损伤分析理论(progressive damage analysis,PDA)和黏聚区模型(cohesive zone model,CZM)分别模拟复合材料蒙皮、筋条的损伤以及它们之间的界面失效,得到屈曲载荷、破坏载荷以及失效模式;其次,通过对已有工程计算方法的改进,计算得到屈曲载荷和破坏载荷;最后,通过与实验结果对比得知,有限元分析方法和工程计算方法的计算结果均与实验值吻合良好,验证了两种方法的有效性。

张力场对复合材料层板组合梁连接强度的影响

基于纯剪切方板后屈曲阶段边界受力分析,设计了考虑蒙皮支持刚度的复合材料"工"形层板组合梁试验件,采用对角拉伸加载方式,考察了腹板后屈曲张力场对层板组合梁连接强度的影响,并采用基于黏聚区模型的有限元方法对试验进行了仿真分析,研究了界面的失效过程与机理。研究表明:腹板后屈曲阶段形成的张力场在连接界面上产生附加的剥离载荷,使界面呈现Ⅰ/Ⅱ型复合受力状态,加速界面破坏;考虑蒙皮支持刚度的剪切试验在腹板发生失稳后使蒙皮产生法向变形,一定程度上减弱了界面剥离载荷的增加,梁结构的破坏载荷略有提高;试验的破坏模式表现为腹板的纤维压缩破坏和缘条-蒙皮界面的Ⅰ/Ⅱ型复合断裂;黏聚区模型能够很好地模拟复合材料界面的破坏,仿真与试验基本一致。

复合材料单搭接胶接接头试验研究与数值模拟

针对不同搭接长度和不同被胶接件厚度的T300/QY8911层合板单搭接胶接接头进行了试验研究和数值模拟.建立了不同试验参数下的三维有限元模型,基于Hashin准则和连续介质损伤力学(CDM,Continuum Damage Mechanics)预测层合板面内损伤的起始和演化,应用黏聚区模型(CZM,Cohesive Zone Model)模拟层合板的分层损伤及胶层的失效.系统地研究了接头在不同参数下的失效模式、破坏形貌和极限载荷等的变化,模拟结果与试验吻合良好,验证了有限元分析模型的有效性.通过对接头的破坏形貌和应力分布进一步分析发现,胶接连接的失效模式和极限载荷均与胶接长度和被胶接件厚度有关;模拟接头胶接区在不同加载时刻的应力分布变化,反映了胶接连接在拉伸载荷下的破坏起始和演化过程.

大斜度井多簇水力压裂裂缝扩展数值模拟

大斜度井多簇水力压裂技术是开发低渗透油气田的有效手段,但压裂过程中出现的裂缝转向、应力干扰问题使得裂缝扩展形态十分复杂。基于全局黏聚区模型建立大斜度井3簇裂缝同时扩展的有限元数值模拟,对不同井斜角、原位应力差条件下的裂缝注入点压力、裂缝形态进行研究。结果表明:当井斜角由20°增大至80°时,裂缝起裂逐渐变难,起裂压力增幅达47.38%,且中缝受边缝的干扰程度降低;裂缝形态由初始沿射孔方向延伸逐渐转向至沿垂向应力方向,且当井斜角等于60°时3簇裂缝合并成1条主裂缝。当地应力差由0增大至5 MPa时,3簇裂缝的起裂压力逐渐降低,且中缝受边缝应力干扰程度增加;裂缝形态由沿着3簇初始射孔方向延伸不发生明显裂缝转向,到起裂于初始损伤区之后迅速发生裂缝转向。该有限元计算模型可对现场大斜度井多簇水力压裂施工提供一定参考。

复合材料T型接头冰雹高速撞击损伤的数值模拟

利用高速空气炮进行了冰雹撞击复合材料T型接头的实验,研究了不同撞击速度下结构的损伤情况。同时,采用光滑质点流体动力学方法与黏聚区模型相结合的方法,对冰雹撞击复合材料T型接头进行了数值模拟。通过与实验结果的对比,验证了数值模拟模型的有效性。在此基础上,利用数值模型研究了影响复合材料T型接头冰雹撞击损伤的各种因素。计算结果表明:冰雹撞击对复合材料T型接头造成的损伤主要为分层损伤;冰雹的撞击速度、尺寸、入射角等,都对T型接头的损伤程度有很大影响;T型接头的分层面积与冰雹的撞击能量之间呈近似线性关系,分层面积随着撞击能量的增大而增大;冰雹的入射角越大,分层面积与撞击力峰值也越大。