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合材料，由于它具有高強度、耐高溫、耐腐蝕、高韌性、抗氧化等優(yōu)點而被廣泛應用于建筑、機械、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、細觀模型和多尺度模型。細觀模型能真實地反映材料內(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觀結(jié)構(gòu)特性及損傷演化關(guān)系的數(shù)值模型，是進行細觀數(shù)值研究的前提和基礎。國內(nèi)外很多學者提出了不少損傷

2、模型，但是大部分模型較為復雜或者參數(shù)較多，實際的工程應用非常困難。內(nèi)聚力模型由于其較為簡潔，又能夠準確地模擬許多工程斷裂問題而成為一個研究的熱點。然而真正利用內(nèi)聚力模型來研究非均質(zhì)材料的損傷與破壞，模擬其任意裂紋的擴展，目前國內(nèi)外還是相對少見，還有很多問題有待完善或者解決。
　　針對上述問題，本文基于三種數(shù)值建模方法實現(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）細觀模型的構(gòu)建。改進了常用建模方法中存在的模型過于簡化和建模流

3、程過于繁瑣的缺點，提高了建模的效率。同時，采用改進的內(nèi)聚力模型對非均質(zhì)材料損傷與斷裂失效進行了研究，得到了和實驗較為吻合的模擬結(jié)果。針對內(nèi)聚力模型參數(shù)難以確定的問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方面:
　　(1)基于圖像處理方法（圖像法）和隨機骨料自動生成程序（程序法）對非均質(zhì)材料細觀模型的建模方法開展了研究。提高了原有圖像法中骨料輪廓的識別

4、效率，簡化了其建模流程，改善了現(xiàn)有程序法中存在的模型過于簡化的問題。同時，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)材料的真實細觀結(jié)構(gòu)。
　　(2)采用改進的雙線型內(nèi)聚力模型，編寫了ABAQUS用戶單元自定義子程序(VUEL)，對混凝土材料和非均質(zhì)焊錫材料的損傷和失效進行了模擬分析。同時，提出了一套內(nèi)聚力單元自動植入的程序?qū)崿F(xiàn)方法，在提高計算效率的同時也大大簡化了建模工作。最后通過典型的算例驗證了上述方法的

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，針對不同的載荷模式分別采用DCB試樣和SLJ試樣研究了無鉛焊錫/銅界面層的破壞情況。然后，采用偽實驗數(shù)據(jù)從不同的角度對反演方法的有效性和可靠性進行了驗證。最后，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)對兩種不同載荷模型下的內(nèi)聚力模型參數(shù)進行反演識別。
　　(4)鑒于非均質(zhì)材料數(shù)值建模過程過于繁瑣的缺點，本文開發(fā)了