分离式拟质点法的研究及裂纹尖端场的多尺度模拟

Relationship between various types of crack tip singular field under macroscopic and microscopic scale condition and connect between fracture mechanism at the crack tip atomic levels has been the focus of research on fracture mechanics problems. Macro-crack tip under the discontinuous transition between exponential and logarithmic singularity, causing incomplete of crack tip singularity fields, cause cannot be reasonably explained many mechanical problems; atomic levels, crystal orientation, deformation twinning deformation on microstructure and micro crack formation and extension has great influence. This topic will build the crack tip field under the atomic condition, by building cross atom/continuum quasi-particles multi-scale computational model. The main research contents and route: first, for different lattice cell types, the corresponding geometric model of quasi-particles was established; Secondly, adopting reasonable quasi-particle system within the cut-off radius, by atomic potential function are derived for solving quasi particle position and force information required for the potential function expression; Then, by the derived potential function, a large Fortran computational program is compiled; Finally, the calculation procedure used on all kinds of mixed type and simple dynamic propagation crack of multi-scale and under the action of physical fields simulation, gives the distribution of physical field of crack tip form, and change parameters and experimental measurement of fracture combined with giving reasonable fracture criterion.

裂尖宏细观尺度下各类奇异场之间的相互关系以及与裂尖原子层次下断裂机理之间相互联系一直是断裂力学研究的焦点问题之一。宏观下裂尖的指数和对数奇异性之间过渡不连续，造成了裂尖奇异场的不完整性，导致不能合理解释很多力学问题；原子层次，晶体的取向、孪晶变形等微观构造和变形又对微裂纹的形成和扩展具有很大影响。本课题通过构建出跨原子/连续介质的拟质点多尺度计算模型，力图将裂尖原子构造与两种奇异场统一起来。主要研究内容和路线：首先，针对不同晶胞类型，设置对应的拟质点几何模型。其次，采用合理的拟质点系统内的切断半径，由原子的势函数分别推导出求解拟质点位置及作用力等信息所需的势函数表达式。然后，由所推导出的势函数，编写大型Fortran计算程序。最后，采用该计算程序对各类简单及混合型动态扩展裂纹进行多尺度多物理场作用下的模拟计算，给出裂纹尖端多物理场下的分布形式，并与实验测量的变化参数结合给出合理的断裂准则。

裂尖宏细观尺度下各类奇异场之间的相互关系以及与裂尖原子层次下断裂机理之间相互联系一直是断裂力学研究的焦点问题之一。宏观下裂尖的指数和对数奇异性之间过渡不连续，造成了裂尖奇异场的不完整性，导致不能合理解释很多力学问题；原子层次，晶体的取向，孪晶变形等微观构造和变形又对微裂纹的形成和扩展具有很大影响。本课题通过构建出跨原子/连续介质的拟质点多尺度计算模型和蠕变损伤规律断裂力学模型，系统地研究了树脂基复合材料的断裂、损伤和界面的连接、脱粘问题。.主要研究内容以及取得的重要结果：.1）首先，针对不同晶胞类型，提出了对应的拟质点几何模型。其次，采用合理的拟质点系统内的切断半径，由原子的势函数分别推导出求解拟质点位置及作用力等信息所需的势函数表达式。然后，由所推导出的势函数，编写了大型Fortran计算程序。最后，采用该计算程序对各类简单及混合型动态扩展裂纹进行多尺度多物理场作用下的模拟计算，给出裂纹尖端多物理场下的分布形式，并与实验测量的变化参数结合给出合理的断裂准则。.2）基于分离式拟质点方法和蠕变规律断裂力学，针对不同种复合材料的微观结构（单纤维，混合纤维，颗粒），建立了相应的力学模型。针对复合材料在拉伸及冲击荷载作用下失效问题进行了理论分析和数值模拟，借此进一步分析了复合材料的宏观断裂损伤与微观界面连接、脱粘之间的关系。并针对不同复合材料，提出了增强其抗冲击性能的理论建议。.3）使用实验和数值模拟的方法，对复合材料螺栓连接接头的渐进损伤失效问题进行了研究。针对复合材料螺栓连接T型接头，应用ABAQUS软件进行数值模拟，分析了摩擦系数和螺栓预紧力对T型接头螺栓孔应力场的影响。而对于单搭接接头，鉴于其复杂的空间结构采用三维Hashin准则和扩展的有限元方法，研究了不同几何参数对具体失效过程的影响。.4）对形状记忆合金增强树脂基复合材料的宏观力学性能进行了实验与理论研究。通过单纤维拔出实验和单轴拉伸实验，测定了形状记忆合金增强树脂基复合材料的界面脱粘剪切强度和单向随机分布形状记忆合金短纤维增强复合材料的拉伸强度。基于指数型内聚力模型，对形状记忆合金纤维与环氧树脂基体界面脱粘过程进行了有限元模拟。.除此之外，在该基金的资助下还完成了其他工作。例如，探究了壁温对来流脉冲波作用下钝楔高超声速边界层稳定性的影响以及火灾高温对钢结构的失效过程的影响。