软弱泥岩遇水强度弱化特性宏细观模拟研究 被引量：23

1

作者 李桂臣 孙长伦 +3 位作者 何锦涛 孙元田 董玉玺 赵华山 《中国矿业大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第5期935-942,共8页

基于离散元理论,采用物理模拟和数值模拟相结合的方法进行泥岩软弱和遇水强度弱化特性研究,并提出了一种泥岩跨尺度研究方法.结果表明:泥岩单轴抗压强度和弹性模量随黏土矿物含量增加而减小,符合指数小于0的幂函数关系.随着黏土矿物含... 基于离散元理论,采用物理模拟和数值模拟相结合的方法进行泥岩软弱和遇水强度弱化特性研究,并提出了一种泥岩跨尺度研究方法.结果表明:泥岩单轴抗压强度和弹性模量随黏土矿物含量增加而减小,符合指数小于0的幂函数关系.随着黏土矿物含量增加,泥岩遇水弱化指数增大,并逐渐趋于稳定.黏土矿物含量对泥岩力学性质影响的细观机理:黏土矿物含量越高,泥岩内强胶结数目越少,泥岩压缩破坏过程弱胶结破坏数目越多,泥岩的强度越小.模拟确定类泥岩临界黏土矿物含量为28.81%,黏土矿物含量达到临界值,随着黏土矿物含量增加,泥岩单轴抗压强度、遇水弱化指数不变. 展开更多

关键词 软弱泥岩 水 强度弱化 宏细观 模拟研究

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基于双重网格的混凝土自适应宏细观协同有限元分析方法 被引量：6

2

作者 徐磊 崔姗姗 +1 位作者 姜磊 任青文 《工程力学》 EI CSCD 北大核心 2022年第4期197-208,共12页

混凝土损伤开裂表现出明显的跨尺度特征,其演化过程与细观材料结构直接相关。如何在兼顾效率和精度前提下分析混凝土损伤开裂的跨尺度演化过程一直是比较棘手的问题。在假定处于弹性阶段的混凝土为宏观均匀材料和处于损伤开裂阶段的混... 混凝土损伤开裂表现出明显的跨尺度特征,其演化过程与细观材料结构直接相关。如何在兼顾效率和精度前提下分析混凝土损伤开裂的跨尺度演化过程一直是比较棘手的问题。在假定处于弹性阶段的混凝土为宏观均匀材料和处于损伤开裂阶段的混凝土为细观非均匀材料的基础上,提出了一种基于双重网格的混凝土自适应宏细观协同有限元分析方法。该方法通过在分析域内布置宏细观双重网格分别建立宏观尺度和细观尺度有限元计算模型,通过宏观尺度至细观尺度的自适应转换在分析过程中动态确定宏细观协同分析的宏观区域和细观区域,通过基于形函数插值的多点位移约束实现宏细观协同有限元模型中的非协调重叠网格连接。算例分析表明,采用该文方法不仅可通过考虑损伤开裂区的细观材料结构保证模拟精度,亦可通过在分析中自适应确定细观尺度分析区域提高模拟效率。 展开更多

关键词 混凝土 宏细观 协同有限元 双重网格 自适应

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基于一类非局部宏-微观损伤模型的裂纹模拟 被引量：13

3

作者 卢广达 陈建兵 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2020年第3期749-762,共14页

结合近场动力学和统一相场理论的基本思想,最近提出了一类非局部宏-微观损伤模型,为固体裂纹扩展模拟提供了新途径.本文在此基础上改进了微观损伤准则,并给出损伤的λ-l语言以刻画固体破坏过程中位移场的不连续程度.在改进模型中,首先... 结合近场动力学和统一相场理论的基本思想,最近提出了一类非局部宏-微观损伤模型,为固体裂纹扩展模拟提供了新途径.本文在此基础上改进了微观损伤准则,并给出损伤的λ-l语言以刻画固体破坏过程中位移场的不连续程度.在改进模型中,首先根据两物质点(即物质点对)之间的变形量,基于相对临界伸长量的历史最大超越程度,给出表征物质键性能退化的微细观损伤.进而,对影响域内的物质键损伤进行空间局部加权平均,获得宏观拓扑损伤.通过引入能量退化函数,建立基于能量的损伤与宏观拓扑损伤之间的关系,由此将其嵌入连续损伤力学基本框架,形成了问题求解的基本方程.该模型是一类非局部化模型,可采用有限单元法进行离散求解,避免了经典局部损伤力学所面临的网格敏感性问题.文中,进一步将其应用于具有强非线性回弹特性的裂纹扩展模拟问题.实例分析表明,本文方法不仅可以把握裂纹扩展模式,而且能够定量刻画裂纹扩展过程中的载荷-变形关系.最后指出了需要进一步研究的问题. 展开更多

关键词 损伤 宏-微观损伤模型 能量退化因子 裂纹 非局部化

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基于一类非局部宏−微观损伤模型的混凝土典型试件力学行为模拟 被引量：5

4

作者 任宇东 陈建兵 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第4期1196-1211,共16页

混凝土是一类典型的准脆性材料,其受力过程中的非线性分析与裂纹模拟依然是具有挑战性的问题.经典的断裂力学与损伤力学分别从间断与连续的视角对裂纹拓扑进行了描述,是早期人们研究固体破坏问题的有力工具.21世纪以来,相场理论和近场... 混凝土是一类典型的准脆性材料,其受力过程中的非线性分析与裂纹模拟依然是具有挑战性的问题.经典的断裂力学与损伤力学分别从间断与连续的视角对裂纹拓扑进行了描述,是早期人们研究固体破坏问题的有力工具.21世纪以来,相场理论和近场动力学在预测裂纹的萌生、扩展与非线性分析方面取得了重要的进展.最近,结合统一相场理论与近场动力学的基本思想,发展了一类非局部宏−微观损伤模型.该模型引入物质点偶的概念来刻画由于变形引起的微细观损伤,对微细观损伤在作用域中进行加权平均得到定量描述物质不连续程度的拓扑损伤.通过具有物理机制的能量退化函数,将拓扑损伤嵌入到连续介质−损伤力学的框架中,这使得该模型在进行非线性分析的同时可以自然地进行裂纹模拟,而毋须预设初始裂纹与裂纹扩展路径.本文考虑细观物理参数的空间变异性,采用非局部宏−微观损伤模型进行混凝土试件受力全过程的精细化模拟.通过一维建模标定模型细观参数,并探讨了细观参数与混凝土材料细观物理−几何特性之间的内在关联,在此基础上采用二维模型进行精细化分析.进而,考察了材料参数空间变异性对混凝土单轴受拉试件和带缺口三点弯曲试件力学行为的重要影响.本文的研究工作为非局部宏−微观损伤模型细观参数的试验标定与复杂应力状态下混凝土等准脆性材料的非线性力学行为研究提供了有意义的参考. 展开更多

关键词 混凝土 非局部宏−微观损伤模型 单轴受拉 参数标定 参数空间变异性

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基于结构化变形驱动的非局部宏-微观损伤模型的真Ⅱ型裂纹模拟

5

作者 任宇东 陈建兵 卢广达 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第2期390-402,共13页

Ⅱ型载荷作用下裂纹变形模式也为Ⅱ型的破坏问题称为真Ⅱ型破坏.准确定量地把握真Ⅱ型破坏的全过程是具有挑战性的问题.本文采用结构化变形驱动的非局部宏-微观损伤模型对真Ⅱ型破坏问题进行了模拟.根据结构化变形理论将点偶的非局部应... Ⅱ型载荷作用下裂纹变形模式也为Ⅱ型的破坏问题称为真Ⅱ型破坏.准确定量地把握真Ⅱ型破坏的全过程是具有挑战性的问题.本文采用结构化变形驱动的非局部宏-微观损伤模型对真Ⅱ型破坏问题进行了模拟.根据结构化变形理论将点偶的非局部应变分解为弹性应变与结构化应变两部分,进而利用Cauchy-Born准则与结构化应变计算点偶的结构化正伸长量.在本文中,结构化应变取为非局部应变的偏量部分.当点偶的结构化正伸长量超过临界伸长量时,微细观损伤开始在点偶层次发展.将微细观损伤在作用域中进行加权求和得到拓扑损伤,并通过能量退化函数将其嵌入到连续介质-损伤力学框架中进行数值求解.进一步地,本文采用Gauss-Lobatto积分格式计算点偶的非局部应变,将积分点数目降低到4个,显著降低了前处理和非线性分析的计算成本.通过对Ⅱ型加载下裂尖应变场的分析揭示了采用偏应变作为结构化应变的原因.对两个典型真Ⅱ型破坏问题的模拟结果表明,本文方法不仅可以把握Ⅱ型加载下的真Ⅱ型裂纹扩展模式,同时可以定量刻画加载过程中的载荷-变形曲线,且不具有网格敏感性.最后指出了需要进一步研究的问题. 展开更多

关键词 结构化变形 非局部宏-微观损伤模型 真Ⅱ型破坏 Gauss-Lobatto积分格式

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钛基梯度功能材料的复合结构研究进展 被引量：5

6

作者 李永 宋健 张志民 《稀有金属材料与工程》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2005年第2期178-183,共6页

介绍了钛基梯度功能材料复合结构的概念和开发背景,回顾了近些年来在钛基梯度功能材料宏细观尺度研究方面所取得的研究成果,并对钛基梯度功能材料复合结构的发展趋势作一展望。由于这种材料中,各组分材料的体积含量在空间位置上是连续... 介绍了钛基梯度功能材料复合结构的概念和开发背景,回顾了近些年来在钛基梯度功能材料宏细观尺度研究方面所取得的研究成果,并对钛基梯度功能材料复合结构的发展趋势作一展望。由于这种材料中,各组分材料的体积含量在空间位置上是连续变化的,其物理性能没有突变,因而可较好地避免诸如在纤维增强复合材料中经常出现的层间应力问题或降低应力集中现象。梯度功能材料目前已被发展用来作高温环境下的结构用件,本文着重论述了钛基梯度功能材料复合结构在材料优化分析领域的研究现状及其应用前景,并提出需要进一步研究的方向。 展开更多

关键词 钛基梯度功能材料 宏细观尺度 复合结构 梯度指标

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混凝土跨尺度损伤开裂自适应宏细观递进分析方法 被引量：2

7

作者 徐磊 姜磊 +1 位作者 王绍洲 任青文 《东南大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第6期1052-1062,共11页

为准确分析混凝土损伤开裂的跨尺度演化过程,提出了一种自适应宏细观递进有限元分析方法.将分析模型划分为单一宏观尺度和宏细观多尺度2个区域,建立自适应分析尺度转换准则以动态更新区域范围.通过自适应建立与宏细观多尺度区域内宏观... 为准确分析混凝土损伤开裂的跨尺度演化过程,提出了一种自适应宏细观递进有限元分析方法.将分析模型划分为单一宏观尺度和宏细观多尺度2个区域,建立自适应分析尺度转换准则以动态更新区域范围.通过自适应建立与宏细观多尺度区域内宏观积分点关联的耦合体积细观有限元模型,实现非均匀宏观网格条件下的宏细观递进有限元分析.基于提出的分区均匀化的宏观损伤表征方法,实现混凝土损伤演化的跨尺度模拟.利用ABAQUS用户材料子程序接口UMAT,编制计算程序.结果表明,自适应宏细观递进有限元分析的自由度数量和CPU耗时分别约为全细观数值模拟的8.35%和17.57%.所提方法可在考虑混凝土细观结构的前提下,实现混凝土损伤开裂跨尺度演化的高效模拟. 展开更多

关键词 混凝土 损伤开裂 宏细观 递进多尺度 自适应

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多尺度水泥基材料渗透性与孔隙关系模拟研究

8

作者 赵青 张敏 李宗利 《人民长江》 北大核心 2022年第8期153-158,共6页

水泥基材料是以水泥为基本胶结材料的多孔介质,孔隙率、孔隙尺寸及结构决定其渗透特性。对于低渗透性水泥基材料,物理测定其水力渗透系数较困难。为此,从细观尺度着手,基于向上扩展多尺度法,随机生成不同孔隙率的渗流三维模型,采用分级... 水泥基材料是以水泥为基本胶结材料的多孔介质,孔隙率、孔隙尺寸及结构决定其渗透特性。对于低渗透性水泥基材料,物理测定其水力渗透系数较困难。为此,从细观尺度着手,基于向上扩展多尺度法,随机生成不同孔隙率的渗流三维模型,采用分级计算、逐级逼近方式,实现细观与宏观模型材料参数传递;应用图型结构与Dijkstra算法,判断孔隙连通性,研究了水泥基材料渗透性与其孔隙参数的关系。研究结果表明:①等效渗透系数随孔隙宽度的增加而增大,与孔隙尺寸的平方近似成正比。②孔隙的连通性随着孔隙率的增大而增强,有效孔隙率随之提高,等效渗透系数与有效孔隙率成二次函数关系。③当总孔隙率小于或等于0.2时,孔隙网络将不再连通,水泥基材料可视为不透水介质。 展开更多

关键词 水泥基材料 渗透系数 孔隙率 宏细观数值模型 多尺度法

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锻压过程宏-细观跨尺度仿真研究 被引量：1

9

作者 杜凤山 李源 +2 位作者 王珉 李杰 范俊锴 《计算力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2014年第6期799-804,810,共7页

采用基于Voronoi图的微结构模型,针对Cr5锻件锻压过程中晶体之间滑移趋势进行了有限元仿真研究。并根据晶粒接触滑移角度的不同,对锻压过程中不同应力区域晶粒应力、滑移剪切力的不均匀分布进行了统计和分析。将宏观有限元分析的特定区... 采用基于Voronoi图的微结构模型,针对Cr5锻件锻压过程中晶体之间滑移趋势进行了有限元仿真研究。并根据晶粒接触滑移角度的不同,对锻压过程中不同应力区域晶粒应力、滑移剪切力的不均匀分布进行了统计和分析。将宏观有限元分析的特定区域的分析结果耦合成相应尺寸的细观模型的边界条件,从而实现了针对应力集中区域的宏-细观跨尺度的仿真。所得结果表明,材料内部滑移趋势受接触滑移角度影响很大,位于宏观滑移区的材料,在细观模型中的滑移趋势同样明显。 展开更多

关键词 锻压 VORONOI 微结构 跨尺度 滑移趋势

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沥青路面非显性结构完整性失效特性分析

10

作者 付军 李忠杰 +2 位作者 杨荣琦 贾大伟 丁庆军 《长安大学学报（自然科学版）》 CAS CSCD 北大核心 2021年第4期11-20,共10页

为探明沥青路面服役状态早期性能演变机理,通过定义沥青路面非显性结构完整性的基本内涵,从微细观界面参数性能及亚临界裂纹的混沌演化角度,对沥青路面的非显性失效做出评定。考虑沥青与集料的细观界面过渡区界面厚度D、界面弹性模量E... 为探明沥青路面服役状态早期性能演变机理,通过定义沥青路面非显性结构完整性的基本内涵,从微细观界面参数性能及亚临界裂纹的混沌演化角度,对沥青路面的非显性失效做出评定。考虑沥青与集料的细观界面过渡区界面厚度D、界面弹性模量E和界面强度F为非显性结构完整性直接参数,进行量纲一化处理,研究直接参数变化对沥青路面衰变的微细观影响。同时以细观尺度裂纹尖端J积分为间接参数,确定衰变加速与裂纹失稳扩展的临界状态。在实际算例分析中,将细观尺度下的沥青混合料简化为粗集料、沥青砂浆和界面组成的三相复合材料参数。基于跨尺度分析机理与主-子模型位移传递方法,建立了宏观-细观有限元模型,考虑500次循环车轴荷载作用时沥青路面局部细观力学响应,选取了4处细观区域进行研究。初始设定量纲一化后单项参数[D]′与[F]′阈值为20%,[E]′的阈值为10%,超过单项阈值即可对界面性能产生一定影响。并采用相关算例实现了微裂纹萌生和动态演化模拟扩展过程,为非显性结构完整性的间接参数J积分评价提供了前置要素。结果表明:直接参数变化量超限度[ΔZ]′>15%时,界面将产生非显性失效;即使不考虑直接参数与间接参数耦合作用,单一参数超限度会对直接参数变化量ΔZ失效产生直接影响,ΔZ失效严重度受各项参数叠加影响;断裂韧度J_(C)与ΔZ呈负相关,当ΔZ从5.32%增加到28.51%时,相应J_(C)从1.725下降到0.724 kJ/m^(2),即随着路面非显性结构失效情况加剧,沥青混合料界面性能下降,其断裂韧度也相应降低。基于双判据准则可以初步揭示直接参数与间接参数的影响效应,进而为沥青路面的非显性结构完整性失效评定提供支撑。该研究可为沥青路面早期失效拐点判定与预防性养护提供参考。 展开更多

关键词 道路工程 沥青路面 非显性结构完整性 直接参数 间接参数 宏观-细观跨尺度分析

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铝合金管弯曲成形表面粗化宏细观耦合建模仿真

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作者 郭晓曦 李恒 +1 位作者 冯振勇 张铎 《机械工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第22期209-217,共9页

铝合金管弯曲成形中的表面粗化缺陷严重影响了其表面质量和使役性能,迫切需要探明该成形过程中的表面粗化形成规律以避免此类缺陷的产生。管材弯曲成形宏观有限元模型无法准确描述细观尺度不均匀变形导致的表面粗化行为,而细观力学模型... 铝合金管弯曲成形中的表面粗化缺陷严重影响了其表面质量和使役性能,迫切需要探明该成形过程中的表面粗化形成规律以避免此类缺陷的产生。管材弯曲成形宏观有限元模型无法准确描述细观尺度不均匀变形导致的表面粗化行为,而细观力学模型又难以应用到具有复杂加载边界条件的实际成形过程分析。将基于Voronoi图和晶体塑性理论的代表性体积单元(Representative volume element,RVE)细观模型引入宏观有限元模型,建立了铝管弯曲三维宏细观耦合模型,模拟研究5052-O铝管在弯曲过程中的表面粗化特征,系统分析了细观材料参数对弯曲过程表面粗化行为的影响规律。结果表明,晶粒尺寸越小,晶粒内部与晶界附近的应变差值越小,其变形越均匀,能获得越小的表面粗糙度;对于Cube织构和随机织构混合的模型,随着Cube织构含量的增多,弯曲变形后表面粗糙度呈下降趋势;织构分布与加载方式耦合影响表面粗化行为。 展开更多

关键词 铝合金管 弯曲成形 表面粗化 晶体塑性有限元 宏细观耦合建模

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