基于內(nèi)聚力模型非均質(zhì)材料損傷與失效的數(shù)值研究.pdf

1、非均質(zhì)材料通常是由不同材料或相組成的復(fù)合材料，由于它具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、高韌性、抗氧化等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于建筑、機(jī)械、電子以及航空航天等領(lǐng)域。該種材料往往有多相成分組成，因而其研究方法不同于均質(zhì)材料。非均質(zhì)材料的數(shù)值模型主要有宏觀模型、細(xì)觀模型和多尺度模型。細(xì)觀模型能真實(shí)地反映材料內(nèi)部的損傷與失效現(xiàn)象而被廣泛采用。建立能夠客觀反映其細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性及損傷演化關(guān)系的數(shù)值模型，是進(jìn)行細(xì)觀數(shù)值研究的前提和基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者提出了不少損傷

2、模型，但是大部分模型較為復(fù)雜或者參數(shù)較多，實(shí)際的工程應(yīng)用非常困難。內(nèi)聚力模型由于其較為簡(jiǎn)潔，又能夠準(zhǔn)確地模擬許多工程斷裂問(wèn)題而成為一個(gè)研究的熱點(diǎn)。然而真正利用內(nèi)聚力模型來(lái)研究非均質(zhì)材料的損傷與破壞，模擬其任意裂紋的擴(kuò)展，目前國(guó)內(nèi)外還是相對(duì)少見(jiàn)，還有很多問(wèn)題有待完善或者解決。
　　針對(duì)上述問(wèn)題，本文基于三種數(shù)值建模方法實(shí)現(xiàn)了兩種典型非均質(zhì)材料（混凝土和非均質(zhì)焊錫合金材料）細(xì)觀模型的構(gòu)建。改進(jìn)了常用建模方法中存在的模型過(guò)于簡(jiǎn)化和建模流

3、程過(guò)于繁瑣的缺點(diǎn)，提高了建模的效率。同時(shí)，采用改進(jìn)的內(nèi)聚力模型對(duì)非均質(zhì)材料損傷與斷裂失效進(jìn)行了研究，得到了和實(shí)驗(yàn)較為吻合的模擬結(jié)果。針對(duì)內(nèi)聚力模型參數(shù)難以確定的問(wèn)題提出了一種基于卡爾曼濾波算法的反演優(yōu)化方法，并采用兩種反演方案確定了相關(guān)的內(nèi)聚力模型參數(shù)。本文的主要研究工作包含以下幾個(gè)方面:
　　(1)基于圖像處理方法（圖像法）和隨機(jī)骨料自動(dòng)生成程序（程序法）對(duì)非均質(zhì)材料細(xì)觀模型的建模方法開(kāi)展了研究。提高了原有圖像法中骨料輪廓的識(shí)別

4、效率，簡(jiǎn)化了其建模流程，改善了現(xiàn)有程序法中存在的模型過(guò)于簡(jiǎn)化的問(wèn)題。同時(shí)，提出了圖像法和程序法相結(jié)合的建模方法，從而能夠更加精確地表征非均質(zhì)材料的真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)。
　　(2)采用改進(jìn)的雙線型內(nèi)聚力模型，編寫(xiě)了ABAQUS用戶單元自定義子程序(VUEL)，對(duì)混凝土材料和非均質(zhì)焊錫材料的損傷和失效進(jìn)行了模擬分析。同時(shí)，提出了一套內(nèi)聚力單元自動(dòng)植入的程序?qū)崿F(xiàn)方法，在提高計(jì)算效率的同時(shí)也大大簡(jiǎn)化了建模工作。最后通過(guò)典型的算例驗(yàn)證了上述方法的

5、合理性。
　　(3)提出了一種基于卡爾曼濾波算法的反演優(yōu)化方法，采用分步優(yōu)化法和能量法兩種反演方案確定了指數(shù)型內(nèi)聚力模型參數(shù)。首先，針對(duì)不同的載荷模式分別采用DCB試樣和SLJ試樣研究了無(wú)鉛焊錫/銅界面層的破壞情況。然后，采用偽實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)從不同的角度對(duì)反演方法的有效性和可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。最后，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)對(duì)兩種不同載荷模型下的內(nèi)聚力模型參數(shù)進(jìn)行反演識(shí)別。
　　(4)鑒于非均質(zhì)材料數(shù)值建模過(guò)程過(guò)于繁瑣的缺點(diǎn)，本文開(kāi)發(fā)了