基于相场法的含缺陷材料静动态损伤与断裂过程模拟

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多年来,对于材料的损伤与断裂研究一直备受国内外学者的关注。裂纹的存在会对材料的性能和结构的安全造成重要影响。本论文采用相场法与有限元数值模拟相结合的方式,重点研究了含缺陷材料在静动态加载下的损伤与断裂失效问题,通过建立数值模型分析相关参数对数值计算结果的影响;针对弹塑性含孔平板讨论了不同的孔间距离和孔洞分布形式对裂纹扩展和平板断裂韧性的影响;最后还分析了脆性材料在动态加载下出现的裂纹分叉现象。具体完成的工作如下:(1)在对脆性材料进行相场模拟时,通过建立算例模型重点讨论了裂纹长度尺寸参数、能量释放率和位移增量对数值计算结果的影响。通过与数值结果和实验结果进行对比,验证了相场模型预测裂纹扩展路径的可行性。同时针对含两种不同材料的平板,讨论了不同的材料刚度和材料含量对平板断裂破坏和裂纹扩展的影响。(2)使用弹塑性相场模型对双缺口平板进行数值模拟,得到了不同条件下的力-位移曲线,分析了弹塑性相场理论中主要参数对数值模型计算结果的影响。通过对弹塑性含孔平板结构进行数值模拟,分别研究了不同的孔间距离和孔洞分布形式对裂纹的扩展路径和平板断裂韧性造成的影响。(3)基于脆性材料的动态相场理论,分别对含裂纹和内压的平板进行动态模拟并对裂纹分叉现象进行了研究,讨论了裂纹分叉与能量间存在的关系。同时使用相场法对地震作用下重力坝的破坏过程进行模拟并将模拟结果与文献结果进行对比,验证了相场法在解决实际工程问题的准确性和可靠性。本文的研究结果为探究材料在发生损伤及破坏过程中裂纹的传播扩展规律以及对建筑工程结构设计和性能评价提供了理论依据和参考。
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