小尺寸CT试样断裂行为的GTN细观损伤模型研究

基于国产A508-Ⅲ钢的单轴拉伸测试,构建了Ramberg-Osgood力学本构模型和GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman)细观损伤模型,并对模型参数进行了标定,开展了不同温度下小尺寸CT(1/6CT)试样的断裂韧性测试,采用规则化方法计算得到裂纹扩展阻力曲线(J-R曲线),分析了测试温度对材料断裂性能的影响。结果表明,随着温度从-100℃度降低至-130℃,断口韧窝区的宽度由43μm缩减至10μm,平均韧窝尺寸从0.3μm缩小至0.05μm,材料的塑性变形能力随着温度的降低而脆化。基于构建的力学本构模型和GTN细观损伤模型,采用有限元法分析了1/6CT试样从裂纹萌生、扩展至失效断裂的过程。结果表明,J-R曲线随着温度的下降而降低,断裂韧性(J_(IC)值)和裂纹扩展量(Δa)的降幅分别为43%和3%,相对误差不超过5%。这表明,基于GTN细观损伤模型的数值方法是研究小尺寸CT试样断裂行为的一种简便、有效的方法。

基于Weibull分布的煤矸石对混凝土断裂损伤特性的影响

为探索煤矸石质量取代率、粉煤灰质量取代率、水灰比对I型裂缝煤矸石混凝土荷载-裂缝张开位移、荷载-跨中挠度曲线、断裂韧性、断裂能的影响规律,对I型裂缝煤矸石混凝土进行三点弯曲试验,将所得结果结合损伤力学及Weibull分布函数建立煤矸石混凝土的断裂损伤本构模型。结果表明:煤矸石质量取代率对预制I型裂缝的煤矸石混凝土断裂性能影响最大,粉煤灰质量取代率对其断裂韧度影响较大,水灰比对其断裂能影响较大;提升煤矸石混凝土断裂时断裂韧度及断裂能的最佳组合的煤矸石质量取代率为25%、粉煤灰质量取代率为10%、水灰比为0.5;经对比可知,所得损伤本构模型对应的应力-应变曲线与试验曲线高度吻合。研究成果为煤矸石混凝土的制备及工程实际应用研究提供了参考。

考虑断裂韧度劣化的非贯通节理岩体损伤模型研究

岩石断裂韧度参数对节理尖端裂纹的起裂扩展及止裂都至关重要。文中综合考虑节理岩体宏细观损伤,构建节理岩体损伤模型,从理论上分析断裂韧度与抗拉强度之间的相互影响,得到断裂韧度细观演化方程,对节理岩体损伤模型进行修正。通过岩体相似材料模型试验,得到模型计算结果与试验结果吻合较好,证明了模型的合理性。

国产C30混凝土考虑率型微损伤演化的改进Johnson-Cook强度模型

采用Instron1342液压伺服试验机和改进的SHPB技术对国产C30混凝土进行了应变率在一定宽广范围的一维应力下力学性能试验,采用Johnson-Cook强度模型的框架,确定适用于大变形、高应变率及高压下混凝土数值计算的等效强度模型的率相关参数及其他材料常数。由对C30混凝土的大量试验表明,混凝土损伤演化是同时依赖于应变与应变率的率相关过程,提出适用于工程应用的率型损伤演化律来描述C30混凝土的损伤演化过程,并确定了损伤演化常数。由于材料参数小于1,对应于材料的冲击韧化的过程,与国产C30混凝土动态试验结果相吻合。

断裂损伤耦合模型在围岩稳定性分析中的应用

岩体的非线性变形是与速率相关的时间过程。岩体开挖后,其内部应力场的调整与其内部的节理裂隙的扩展密不可分。基于损伤力学中等效应变和有效应力的概念,建立考虑节理裂隙断裂损伤耦合的力学模型,并将其应用于山西万家寨引黄工程总干线一、二级泵站地下厂房围岩稳定性分析中,计算结果表明,应用所建模型可以较好地反映工程岩体的特性。

GTN损伤模型对C-Mn钢缺口拉伸试样延性断裂的预测

用GTN(Gurson,Tvergaard,Needleman)损伤模型对不同缺口根半径的C-Mn钢缺口圆棒拉伸试样的延性断裂进行有限元模拟预测。结果表明,当缺口根半径R≤2 mm时,GTN模型对缺口拉伸时的最大载荷Pm、起裂载荷Pi、断裂载荷Pf和断裂功E的预测值与实验值较为接近。而当R>2 mm后,预测值与实验值的偏差变大。其原因在于GTN模型是基于微孔洞长大和聚合的延性断裂机理而建立,对于根半径较小,促使孔洞长大的三向应力度较高的缺口试样较为适用。GTN模型预测的三个特征载荷,尤其是表征韧性的断裂功E的值总体上高于实验测定值,并且其预测的延性起裂位置在R≥1 mm时也与实验观察不一致。其原因是GTN模型未考虑实际材料组织中具体的夹杂物/孔洞的尺寸、形态、分布和方位对损伤演化和断裂过程的影响。

基于断裂力学和损伤理论的混凝土开裂模型

依据宏观断裂力学和细观损伤理论,研究混凝土断裂过程区对断裂韧度的影响.在双参数模型的基础上,将细观的损伤本构模型运用于描述宏观断裂过程区的应力分布,并建立改进的混凝土开裂模型.以力学实验为基础,采用ABAQUS分析软件对不同龄期、不同初始裂缝深度的混凝土梁开裂过程进行模拟.数值模拟结果表明,应力强度因子和裂缝尖端位移都随着龄期的增加而增加.但是在同一龄期,初始缝高比对应力强度因子和裂缝尖端位移的影响并不明显.采用改进模型进行的数值模拟结果与实验结果吻合良好,表明该开裂模型能准确描述混凝土的临界开裂,可以作为评价混凝土开裂与否的理论判据.

巷道冲击地压的损伤断裂力学模型

分析了平巷煤壁中预存裂纹尖端产生翼型张裂纹 ,形成薄煤层壳 ,薄煤层壳弯曲变形失稳引发冲击地压的机理 .分析过程采用了断裂力学中的Griffth能量理论及能量判据 ,考虑了材料的损伤积累 ,把裂纹扩展过程与材料损伤过程耦合起来 ,确定了发生冲击地压的临界应力σc,并分析了其影响因素 .

节理岩体脆弹性断裂损伤模型及其工程应用

根据Betti能量互易定理并考虑节理裂纹扩展过程中的能量转换和节理裂纹扩展过程中的相互作用建立了裂隙岩体的损伤演化方程和三维脆弹性断裂损伤本构模型，并将该本构模型应用于三峡船闸高边坡，进行了边坡裂隙岩体开挖卸荷稳定三维非线性有限元计算，获得了比较理想的结果。

节理岩体的损伤断裂模型及验证

本文针对节理岩体提出了损伤断裂模型.文中从自一致理论和即时模量概念出发推求岩体等效柔度张量.并将其定义损伤变量,进而从节理的断裂扩展过程对其建立损伤演化方程.最后通过模拟节理岩体的试验成果和某地下洞室实测位移成果对损伤断裂模型进行了验证,并将其应用于我国某高坝复杂地基的稳定分析中。

加锚断续节理岩体断裂损伤模型在硐室开挖与支护中的应用

应用断裂力学与损伤力学理论,对复杂应力状态下脆性断续节理岩体的本构模型及其断裂损伤机制进行研究。根据应变能等效的方法和自洽理论,建立加锚断续节理岩体在压剪、拉剪应力状态下的断裂损伤本构模型;且建立裂纹在压剪和拉剪状态下的损伤演化方程。基于以上的本构模型和损伤演化方程,编制三维有限元程序,并将其应用于琅琊山抽水蓄能电站地下厂房硐室开挖与支护工程的稳定性分析中,研究地下厂房硐室在开挖支护过程中的稳定性。重点分析硐室围岩在开挖过程中的应力状态、变形特性及损伤演化过程。将计算所得出的硐室开挖边界附近的位移值与原型观测值进行比较,得出一些对工程有指导意义的结论。

Q690D高强钢基于连续损伤模型的断裂破坏预测分析

高强钢材在实际钢结构中已经开始逐步得到应用,该文针对Q690D高强度结构钢材,进行了钢材圆棒试样在单调加载和超低周循环加载下的断裂破坏试验,研究了试样裂纹的起始位置,分析了加载制度对试样承载能力和变形能力的影响,并采用扫描电镜观察了试样断口的微观形貌,断口呈现韧窝形式的延性断裂特征。基于Q690D钢材缺口圆棒试样的单调拉伸试验结果,结合有限元分析,标定了钢材的连续损伤模型参数。最后,应用钢材的连续损伤模型,对圆棒试样和带初始间隙试样在不同加载制度下的断裂破坏进行预测分析,得到试样的裂纹起始位置、荷载-位移曲线、断裂位移和疲劳寿命均与试验结果吻合良好。

应力三轴度对AZ31镁合金断裂应变的影响

采用试验和有限元数值模拟相结合的方法,分析了应力三轴度对AZ31镁合金断裂应变的影响。对光滑试样和3组不同缺口半径的试样以0.5 mm/min的拉伸速度进行准静态拉伸试验。然后,选取三组试样数据建立了AZ31镁合金在室温下关于应力三轴度对断裂应变影响的模型。将建立的损伤模型代入ABAQUS有限元软件中进行模拟仿真,模拟结果与其余一组试验结果基本一致,验证了该模型的正确性。

加锚节理岩体断裂损伤模型及其应用

基于等效应变能原理，在分析压剪、拉剪应力状态下加锚节理面的受力与变形特点的基础上，运用断裂损伤力学的方法建立了加锚断续节理岩体的本构模型及其损伤演化方程，并将该成果应用到黄河小浪底水利枢纽工程地下厂房洞室群施工稳定性分析中．结果表明，该模型能较好地反映加锚节理岩体力学特性及开挖卸荷过程中围岩渐近破坏的规律．

基于三维随机细观模型的沥青混合料断裂行为研究

为了从细观层次研究沥青混合料内部损伤失效机理,采用三维激光扫描技术获取真实集料三维形态信息,根据其形态特征参数提出一种三维随机凹凸型集料建模方法,并构建三维虚拟集料库。使用Monte Carlo方法构建AC-13三维虚拟试件,利用多刚体动力学方法模拟试件压实过程。采用截面算法获取沥青混合料二维细观模型,在模型有效性和准确性得到验证的基础上利用该模型开展虚拟间接拉伸试验,运用内聚力模型和广义Maxwell模型表征沥青混合料断裂行为和黏弹特性,引入断裂损伤指标D_(m)量化其内部损伤,并利用虚拟试验探讨温度对沥青混合料断裂行为的影响。结果表明,在宏观层次,主裂纹不受温度影响,沿着粗集料的边界逐渐发展直至试件破坏;在细观层次,相较于沥青内部界面单元,沥青-集料界面单元更易出现损伤,更快达到损伤失效点,且受温度影响显著。

岩爆的损伤断裂模型

在分析岩爆形成的物理力学特征的基础上，建立了岩爆的损伤断裂模型。该模型能够合理地分析围岩应力调整过程中的裂纹的扩展，连接和裂纹与洞室表面的相互作用问题，以及由裂纹扩展和连接而分离出来的薄片岩层的屈英断裂问题。

基于综合考虑损伤与断裂的岩石爆破破坏力学模型

本文首先对岩石爆破断裂和损伤理论模型进行了回顾,重点分析了目前在岩石爆破领域中得以广泛应用的损伤理论模型。通过分析指出,断裂力学模型和损伤模型都属于线弹性范畴的力学模型。并指出这些理论模型与实际岩石模型的差距,在此基础上提出了岩石爆破的破坏力学模型,为以后的岩石爆破理论模型研究指明了方向。

X形软钢阻尼器延性断裂的试验研究与数值模拟

为了研究X形软钢阻尼器在大变形状态下的耗能性能和损伤演化规律,设计了6组试件进行单向和循环荷载作用下延性断裂的试验研究,分析了软钢阻尼器的破坏过程和滞回曲线。采用Lemaitre-Chaboche混合强化模型,分别对各工况下包含与不包含基于应力三轴度的钢材微观损伤模型的软钢阻尼器进行了精细的有限元模拟。对比有限元模拟结果和试验结果,分析结果表明,颈部为X形耗能软钢阻尼器的薄弱位置,最容易发生集中损伤甚至破坏。考虑钢材损伤准则的有限元模拟的荷载-位移曲线与试验结果更加吻合,能够表征软钢阻尼器的承载力与刚度退化现象,并能较为准确地预测软钢阻尼器的损伤演化过程和断裂破坏位置。

基于XFEM的汽车铝合金断裂行为表征

车用铝薄壁合金5052H32和6061T6以其优异的成形性被广泛用于轻量化车身的冲压钣金件和结构件中。为建立反映材料实际力学特性的表征模型,针对其非线性本构响应中的弹塑性变形、损伤演化及韧性断裂不同发展阶段,分别开发出J-C弹塑性模型、损伤控制模型,以及与应力集中状态相关的J-C失效模型、GTN细观损伤模型和MMC断裂模型,并以参数反演、遗传算法寻优等手段标定了各模型的有效参量,形成力学演变全过程表征。利用上述模型结合扩展有限元法精确模拟了薄壁试件拉伸断裂的过程,通过与实验一致的内部裂纹动态生长行为、应变场和断口形貌,验证了所提取本构性能参数的准确性,且采用经验MMC准则的预测精度最高,形变误差仅为4.7%。

不同应力三轴度断裂的晶粒尺度效应及损伤建模

开展了不同晶粒尺寸及应力状态下的薄板拉伸实验,发现晶粒一致时断裂应变随应力三轴度的增加逐渐减小,针对剪切应力状态,晶粒尺寸增大导致断裂应变增大,并且晶粒尺寸过大会导致试样断裂形式改变;而针对单拉及平面应变状态,随晶粒尺寸增大,断裂应变减小。为描述尺度效应及应力状态影响,通过有限元仿真,利用考虑尺度效应的GTN-Thomason模型模拟了试样的变形过程,对比了实验与仿真的力-位移曲线,验证了模型在较高应力三轴度下的准确性,仿真结果表明,晶粒尺寸增大导致孔洞连接加快,应力三轴度增加有利于孔洞增长从而导致快速断裂。进一步地,在考虑尺度效应的GTN-Thomason模型基础上加入剪切因素影响,提高了损伤模型在较低应力状态下的预测精度。