【摘要】：在實際工程中,材料的斷裂破壞行為直接影響著工程結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性,如何對材料的斷裂行為進(jìn)行模擬一直是工程界的重要課題。材料的斷裂行為具有多尺度特征,宏觀斷裂決定于細(xì)觀結(jié)構(gòu)。離散虛內(nèi)鍵(DVIB)認(rèn)為材料由任意形狀的鍵元胞組成,能有效地描述材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)。初始DVIB只考慮了材料的超彈性,還不能應(yīng)用于更廣泛的斷裂模擬。本文對DVIB進(jìn)行擴(kuò)展研究,在DVIB中考慮了彈脆性、彈塑性及熱力耦合效應(yīng),并在虛內(nèi)鍵層面考慮了斷裂能問題。這使得DVIB的應(yīng)用范圍更為廣泛,同時在模擬斷裂問題時基本上回避了單元尺寸的依賴性,使DVIB成為一個較為系統(tǒng)的理論方法。針對脆性及準(zhǔn)脆性材料,建立了嵌入應(yīng)變能密度理論(SED)的DVIB模型來分析其細(xì)觀斷裂機(jī)理,得到了細(xì)觀鍵的斷裂準(zhǔn)則。材料的斷裂破壞行為具有多尺度特征,通過尺度律可以建立不同尺度間的聯(lián)系,將一個尺度的參數(shù)反饋到另一個尺度中,這為多尺度分析奠定了基礎(chǔ)。細(xì)觀鍵的極限應(yīng)變與格子尺寸相關(guān),其斷裂由鍵元胞應(yīng)變能密度因子控制。結(jié)果顯示,細(xì)觀格子尺寸與鍵的極限應(yīng)變成反比關(guān)系。算例表明該方法能有效地模擬彈脆性材料的斷裂破壞問題,并且模擬結(jié)果基本上不具有單元尺寸敏感性問題。材料的超彈性特征對于動態(tài)斷裂破壞行為有著至關(guān)重要的作用。通過采用傳統(tǒng)原子間勢函數(shù)描述鍵的行為可以將超彈性嵌入模型中,但不能保證斷裂能守恒,因此會存在單元尺寸敏感性問題。本文將原子間勢函數(shù)與雙線性勢函數(shù)結(jié)合在一起,在鍵的峰值應(yīng)變前采用前者來表征材料的超彈性特征,在鍵的峰值應(yīng)變后采用后者來表征材料的應(yīng)變軟化特征,并且將斷裂能與鍵的失效應(yīng)變建立聯(lián)系,從而在很大程度上克服了單元尺寸敏感性問題。算例表明該模型能有效地模擬材料的應(yīng)變軟化問題,并能提高動態(tài)斷裂模擬的精確度。彈塑性材料的斷裂破壞總是伴隨著塑性變形的發(fā)生。本文將塑性引入到初始DVIB模型中,直接將塑性特征反映在細(xì)觀鍵的層面,建立了彈塑性鍵勢函數(shù)。通過該勢函數(shù),將材料的塑性特征與斷裂特征統(tǒng)一在一起,并且建立鍵的失效應(yīng)變與斷裂能之間的關(guān)系來克服單元尺寸敏感性問題。算例表明本模型能有效地再現(xiàn)材料的彈塑性特征,并且能用于模擬延性材料的斷裂破壞模擬。為了考慮材料的熱力耦合斷裂問題,首先在細(xì)觀格子層面建立了DVIB熱傳導(dǎo)模擬方法。在該方法中,令熱流量只能沿著虛內(nèi)鍵進(jìn)行傳導(dǎo),這使得三維熱傳導(dǎo)問題轉(zhuǎn)化為一維問題,使問題大為簡化。同時通過等效體積法建立了宏細(xì)觀熱傳參數(shù)的理論關(guān)系。為了考慮熱力耦合問題,將鍵的變形看作為熱、力兩種過程引起的變形的疊加。通過這種方式將熱、力效應(yīng)反映到鍵勢函數(shù)中,從而使熱、力效應(yīng)在鍵的層面得到了統(tǒng)一。算例結(jié)果表明,該方法可以有效的模擬熱傳導(dǎo)及熱力耦合作用下的斷裂問題。本文的研究成果為彈脆性、彈塑性及熱力耦合條件下的材料斷裂模擬提供了有效的力學(xué)模型及數(shù)值模擬方法,所得的結(jié)論對實際工程具有一定的指導(dǎo)意義。
【圖文】：

26(c)非規(guī)則網(wǎng)格劃分圖 3-5 三點彎曲梁試驗Fig.3-5 Three-point-bend test specimen and discretization scheme材料參數(shù)如下：楊氏模量 E 30.5 GPa；抗拉強(qiáng)度 3.8Mt 斷裂能262.5J mFG ；密度3 2402 kg m。對于純一型界應(yīng)變能密度分別為 2= ( 1) 8F ICG K G，， 2= ( 1) cr ICS K 裂紋臨界斷裂韌度。因此，可以得到斷裂能和臨界應(yīng)變能：( 1)=( 1)FcrGS

上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文(a)不同尺寸非規(guī)則網(wǎng)格模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.2501002003004005006007008009001000Loading-point displacement (mm)LoadP(N)Exper.Coarse meshModerate meshFine mesh
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TU502

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2666564