受静载荷作用的岩石动态断裂的突变模型

将突变理论应用于分析受静载作用的岩石因扰动而导致的动态断裂的过程,建立了受静载作用的岩石内部裂纹在应力谐波扰动下扩展的双尖点突变模型,发现了受静载作用的岩石内部裂纹结构振动频率的变化规律,以及应力谐波扰动时受静载作用的岩石内部裂纹结构的响应存在着非线性关系,给出了受静载作用的岩石动态断裂新判据,从几何角度宏观描述了裂纹扩展的复杂过程.

脆性材料动态断裂的介观格子模型

岩石、陶瓷、玻璃、固体炸药等脆性材料在爆炸与冲击施加的强动载荷作用下易发生迅速的裂纹扩展和灾难性的断裂破碎,造成材料、器件、装置的功能失效和事故危害。理解脆性断裂过程中介观裂纹网络演化与宏观动态响应的关联是提升脆性材料可靠性和安全性的关键,但同时也是计算建模与数值模拟研究面临的难点。为了解决爆炸与冲击加载下脆性材料中裂纹网络随机萌生、裂纹面挤压摩擦、大量裂纹交错扩展等复杂过程带来的算法困难,一种无网格/粒子方法“格子模型”得到了持续的关注和长足的发展。本文综述了格子模型的原理和方法,介绍了运用格子模型开展脆性断裂研究的代表性成果,分析了格子模型存在的不足与改进的方向。

探讨大理岩损伤和动态断裂分形模型问题

分析了南岭大理岩的损伤特征 ,根据脆性损伤理论 ,得到了南岭大理岩损伤耗散能释放率与损伤变量的关系曲线 ,与实测曲线符合较好 ;

高强双相钢动态力学及断裂失效行为表征

先进高强钢的应用是实现汽车轻量化的重要途径之一,而材料力学性能断裂模型的精准表征能够有效提升整车碰撞安全仿真精度。以车身部件常用材料HC340/590DP钢作为研究对象,通过材料动态力学性能测试及本构方程拟合,描述了应变速率对HC340/590DP钢力学行为的影响,采用DIC+CAE技术,对静态拉伸、R5和R20缺口拉伸、中心孔拉伸、剪切拉伸以及拉剪拉伸6种典型应力状态下的断裂应变和应力三轴度进行测试分析,分析了该钢种的断裂形态,建立了HC340/590DP钢的断裂失效模型,并通过有限元对标计算和试样拉伸实测值的对比,验证了模型的准确性。结果表明:HC340/590DP钢具有明显的应变速率敏感性,随着应变速率的提高,材料的屈服强度和抗拉强度均随之增加;试验测得的不同应力状态下试样断裂模式及力-位移曲线均与数值仿真结果高度吻合,表明建立的材料模型适合用于工程仿真,能够对HC340/590DP钢在复杂应力状态下的断裂失效行为进行预测。

断裂相场法在材料失效分析中的应用:界面断裂的超剪切转变

Ⅱ型裂纹界面断裂速率可以超越材料的剪切波速已经在理论和实验中被证明,这种界面断裂的跨声速转变被普遍认为受“Burridge-Andrews”机制(也称“子-母”裂纹机制)控制。然而,对于这种跨声速转变机制,子裂纹的直接证据很少被报道,甚至有些报道中并没有在裂纹跨声速转变过程中观察到子裂纹。近期,中国科学技术大学李良彬教授课题组开展了Ⅱ型裂纹界面跨声速转变的数值模拟研究,“子-母”裂纹扩展过程首次在相场断裂模拟中被重现。他们的工作揭示了一个跨声速裂纹发生的临界预应力水平值,并提出了子裂纹出现的定量化预测准则。

脆性材料动态断裂的新模型(英文)

材料和结构的断裂是一个包括许多步骤和跨越几个尺度层次的过程，现代的实验技术和计算模型也应相应地考虑这些过程，本文在讨论宏观断裂力学基本原理的基础上，针对动态断裂问题提出了一个物理上更一般宏观断裂力学分析模型，描述了动态断裂时固体材料失效的离散图像，并对裂纹高速破坏失效时的一些重要问题进行了讨论．

花岗岩在单轴冲击压缩荷载下的动态断裂分析

利用脉冲整形器改进后的分离式Hopkinson压杆(SHPB)系统,对新加坡Bukit Timah地区的花岗岩圆柱形试样进行了高应变率下的单轴压缩实验。实验结果发现:随着应变率的增加,不仅花岗岩材料的抗压强度增大,而且以轴向拉伸劈裂为主要破坏形式的破碎程度也有所提高,表现为碎块的尺寸减小和数量增加。针对上述花岗岩的动态特性,采用多裂纹相互作用的动态滑移型裂纹模型定量的分析了不同应变率下,材料的微裂纹的初始长度、角度、初始裂纹间距以及裂纹面的摩擦系数等微裂纹特征对材料动态强度及破碎的影响,将岩石类材料的宏观动力学特性与其细观微结构联系起来,合理地解释了花岗岩的动态强度及破碎程度的应变率相关性。

复合固体推进剂动态断裂研究

用轻气炮驱动飞片技术对复合推进剂进行了动态压缩和层裂实验，选用有机硅橡胶衬底材料，利用压阻计测得了复合推进剂中的层裂信号。结果表明，复合推进剂在动态压缩条件下主要表现为固体颗粒高氯酸铵的破碎，即首先在固体颗粒中产生微裂纹，在动加载下呈脆性断裂性质；测得的层裂压力曲线与典型的层裂信号明显不同。同时，采用细观分析方法得到了一个描述固体推进剂断裂的简化脆性损伤模型，并利用本文模型模拟了层裂过程，计算结果与实验测试曲线一致性较好。

综合考虑宏细观缺陷的岩体动态损伤本构模型

针对节理岩体同时含有节理、裂隙等宏观缺陷及微裂隙、微孔洞等细观缺陷的客观事实,提出了在节理岩体动态损伤本构模型中应同时考虑宏细观缺陷的观点。为此,首先对基于细观动态断裂机理的经典岩石动态损伤本构模型—TCK(Taylor-Chen-Kuszmaul)模型进行了阐述,其次基于Lemaitre等效应变假设推导了综合考虑宏细观缺陷的复合损伤变量(张量),进而在此基础上建立了相应的节理岩体动态损伤本构模型,并利用该模型讨论了载荷应变率及节理条数对岩体动态力学特性的影响规律。结果表明,在不同载荷应变率下试件在变形初始阶段是重合的,而后随着应变的增加,试件峰值强度、峰值应变及总应变均随载荷应变率的增加而增加;随着节理条数的增加,试件峰值强度逐渐降低,但降低趋势逐渐变缓并趋于某一定值。上述研究结论与目前的理论及实验研究结果的基本规律是一致的,说明了本模型的合理性。

高聚物计及损伤演化的动态变形和断裂

实验结果表明:高聚物在高应变率下的率相关的变形过程通常伴随着内部损伤的演化,这种演化导致了高聚物的最后断裂.采用改进了的熔丝网络模型及蒙特卡罗随机方法进行的数值模拟以及基于热激活机理所作的分析,得出了率相关的损伤演化律.相应地导出了计及损伤的率相关的非线性粘弹性本构关系,以考虑损伤弱化效应.进而提出了一个动态断裂判据,其同时与应变、应变率相关.采用SHPB技术与反向传播神经网络相结合的新方法,进一步证实了上述主要结果.

三点弯曲梁的动态断裂分析

利用梁的初等弯曲理论和线弹簧模型建立了三点弯曲裂纹梁的动态断裂分析方法，该方法使计算大为简化。

动态断裂韧性测试中的惯性效应分析

用弹簧质量模型分析了三点弯曲试样在冲击载荷作用下的惯性效应 ,得到了脆性断裂条件下有效载荷的修正公式。分别采用受惯性效应影响的示波冲击试验及无惯性效应的焦散线技术对 HQ785C钢进行了动态测试 ,验证了修正公式的有效性。

冲击载荷下延性材料的动态本构关系与动态断裂

基于Y/G及G/B为常数的假设,构建了7种高压与高应变率本构模型,采用所构建的7种本构模型对于高导无氧铜(OFHC)的平面冲击波试验进行了数值模拟。结果表明,平面冲击波载荷下OFHC的屈服强度对于压力、密度、温度以及塑性应变的依赖性是本构描述的关键。由Hopkinson试验取得的OFHC高应变率本构模型,并不适合描述平面冲击波载荷下的本构特性。采用层裂过程中的应力松弛方程,建立了一种基于空穴聚集的延性层裂模型,依赖于应力的层裂空隙度方程被耦合计及损伤的总体控制方程。数值模拟了多种材料的平面冲击致层裂试验。采用Hopkinson拉伸装置和一种基于一级气体炮的高速冲击拉伸断裂装置,研究了OFHC铜杆在一系列冲击拉伸速度下的断裂。一种受单轴冲击拉伸荷载的中心含椭球空穴的样本体积单元用于数值模拟空穴的增长与失稳,以空穴形状演化为判据,比较了空穴失稳时的单元平均径向应变与无凹槽杆的冲击断裂应变。

裂纹梁的弹塑性动态断裂

本文利用弹塑性线弹簧模型建立了一种裂纹梁的弹塑性动态断裂分析的新方法 ,它可以对线弹性变形阶段、弹塑性变形阶段、裂纹稳定扩展阶段和裂纹不稳定扩展阶段的裂纹梁动态断裂问题建立易于求解的常微分方程组 。

汶川MS8.0大震前后鲜水河断裂带滑动及其西部地壳形变的动态变化

基于鲜水河断裂带及邻近区域GPS资料,以发生汶川MS8.0大震的2008年为时间节点,利用视错动变形系统分析模型研究了鲜水河断裂带及邻区不同时段的滑动与区域形变活动特征,结果表明:汶川大震前后鲜水河断裂带构造活动的动态变化是显著的,其西部地区地壳形变的动态变化也较清晰,这些不仅说明了汶川大震的孕育在较大的空间范围存在不同特征的形变与构造活动,同时其西部地区也存在着疑似断裂带形变中心的地壳动态变化,这可能与特定的构造和动力环境密切相关,为我们识别大震前兆提供了更多的可能。

基于经典力学的树木摆动断裂模型

为建立逼真的树木模型,提出将树木模型分为静态和动态2种类型。采用拓展二维半建模方法和碰撞面算法建立树木静态模型。利用经典物理学中的动量定理计算对象在风场中所受的冲力,且与杨氏模量中的断裂极限值相比较,确定对象断裂或摆动等情况,以此构建树木动态模型。仿真结果证明,该方法能够快速高效地建立树木模型。

全尺寸X80天然气管道动态断裂研究

基于内聚力模型建立了全尺寸天然气管道的动态断裂有限元模型。利用该模型对X80管线钢的动态裂纹扩展进行了模拟,预测的裂纹扩展速度与管道内压的定量关系与已有实验得出的半经验公式吻合较好。利用此模型可以对管道爆破试验中难以测定的关键参数(比如裂纹尖端张开角的变化规律,裂纹尖端的应力应变场等)进行定量研究,揭示全尺寸管道动态断裂的机理,为实验提供必要的补充。最后对管道的止裂设计进行了一些探讨。

分级破碎过程的断裂动力学分析和试验研究

分级破碎机齿辊转速是控制破碎产品粒度的关键参数。目前,齿辊转速的确定处于定性阶段,还没有相应的理论指导。本文从Grady-Kipp动态断裂模型出发,分析了加载速率与试样粒度之间的关系,并通过落锤试验机对无烟煤和煤矸石两种物料在不同加载速率下进行重锤试验,发现两种物料碎块平均粒度随加载速率的增大按幂函数规律减小,为分级破碎机转速的确定提供了依据。

延性材料的损伤断裂

以细观统计损伤理论为基础 ,对材料受冲击载荷作用下初期损伤的成核成长效应进行了定量计算。得到了不同动载荷作用下从损伤成核到成长阶段转换的特征时间 ,并把它应用于Johnson提出的延性材料的损伤断裂模型 ,减小了原模型中的模型参数———初始损伤度的随意性 ,增加了Johnson模型的确定性与可预测性。用改进后的模型计算不同冲击速度下OFHC铜的损伤断裂 ,计算结果与实测结果吻合较好。

基于相关键元胞的岩石爆破断裂数值模拟

为研究爆破荷载作用下岩石动态断裂过程,采用相关键元胞(Correlated Lattice Bond Cell,CLBC)模型对岩石进行力学建模,提出了一种适用于岩石动态断裂过程的键势函数,该势函数同时反映了岩石的可压缩性、裂尖材料超弹性及弹脆性特征,发展了一种爆破荷载施加方法.结果表明:该方法能够再现爆破荷载作用下的动态裂纹扩展过程及其基本特征;地应力对爆生裂纹扩展方向具有较强的影响,裂纹总是倾向于沿最大地应力方向扩展;为爆破荷载作用下的岩石动态断裂模拟提供了一种简单可行的方法.