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弥散型核燃料的辐照-热-力耦合断裂相场法

力学学报 2024年

作者：尹耀得于红军哈尔滨工业大学航天科学与力学系

弥散型核燃料作为第四代核电技术的重要组成部分，以其反应均匀、温度梯度小及高燃耗等显著优势，在核电领域展现出重要应用前景。随着核电站设计服役年限的延长，为防止核裂变产物的泄露，弥散型核燃料元件断裂和失效行为的预测更加重... 详细信息

弥散型核燃料作为第四代核电技术的重要组成部分，以其反应均匀、温度梯度小及高燃耗等显著优势，在核电领域展现出重要应用前景。随着核电站设计服役年限的延长，为防止核裂变产物的泄露，弥散型核燃料元件断裂和失效行为的预测更加重要。断裂相场法是近年发展起来的计算断裂力学方法，并在多物理场作用下的复杂介质断裂行为预测上取得了成功。本文首先基于连续介质热力学建立了辐照-热-力耦合断裂相场方法用以预测弥散型核燃料在辐照、热应力和机械载荷共同作用下的断裂及传热行为。随后，分别对压水堆坏境下的弥散型核燃料代表性单元及整板的断裂行为进行了数值仿真计算，获得了弥散型核燃料内部的温度场、裂纹相场和静水压力场。结果显示：均匀颗粒分布的弥散型核燃料具有较小的温度梯度；基体中未发现裂纹，结构损伤形式以燃料颗粒断裂为主，裂纹在燃料颗粒边缘萌生并向内部扩展。本研究可为弥散型核燃料元件的断裂行为预测提供有效的计算模拟方法和数值分析依据。

关键词：断裂相场法辐照-热-力耦合弥散型核燃料有限元模拟

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基于Abaqus的混凝土断裂相场法模拟

基于Abaqus的混凝土断裂相场法模拟

作者：王鸿长沙理工大学

学位级别：硕士

断裂是混凝土材料破坏的主要模式。可靠、高效的混凝土断裂模型在桥梁、隧道、大坝等土木工程结构的安全评估中发挥着重要作用。对混凝土断裂的研究,尤其对其裂纹萌生和扩展的研究,引起了国内外学者越来越多的关注。混凝土断裂的数值模... 详细信息

断裂是混凝土材料破坏的主要模式。可靠、高效的混凝土断裂模型在桥梁、隧道、大坝等土木工程结构的安全评估中发挥着重要作用。对混凝土断裂的研究,尤其对其裂纹萌生和扩展的研究,引起了国内外学者越来越多的关注。混凝土断裂的数值模拟与断裂理论、物理试验相互印证与补充,并随着科技发展不断地提高着混凝土断裂问题模拟的准确性。近年发展起来的断裂相场法,通过场变量的自动演化获取裂纹路径,可方便地模拟出裂纹的动态扩展过程。因此本文将采用基于Abaqus的断裂相场模型实现对混凝土断裂问题的模拟分析并探讨该模型的工程实际适用性。首先,构造出断裂相场模型的能量泛函,由能量变分原理推导出关于位移与相场变量的两个控制方程,结合有限元离散,整理得到可进行数值求解的刚度矩阵方程。接着,建立基于Abaqus的断裂相场模型交错迭代求解算法,解决了计算结果可视化、刚度矩阵排序及交错迭代求解难题。在此基础上,实现了断裂相场模型在Abaqus平台上的二次开发。然后,由断裂韧度确定断裂相场模型中的临界断裂表面能阈值Gc,将无相场梯度的相场演化方程代入物理方程,由临界断裂状态确定断裂相场模型中长度尺度参数l0的值。对单轴拉伸杆、单边缺口矩形板、三点弯曲梁及带圆孔单边缺口矩形板进行模拟分析,结果表明,断裂相场模型交错迭代求解算法的迭代步数少,收敛速度快;网格尺寸足够小时,裂纹宽度是一个与网格尺寸无关且受长度尺度参数l0控制的物理量;网格尺寸、加载步长足够小的情况下,裂纹扩展长度与网格尺寸、加载步长无关;选择合适的网格尺寸与加载步长可提高计算效率并节省计算成本;裂纹扩展方向随位移荷载方向增加呈线性递减关系。上述结果证明了基于Abaqus的混凝土断裂相场法的可行性与准确性。最后,进行了三维嵌贴预应力CFRP加固钢筋混凝土梁的断裂相场模型数值模拟,并将其与物理试验进行对比分析。结果显示,断裂相场模型能够较好地模拟裂纹路径与断裂破坏模式,可为混凝土断裂工程问题的数值模拟提供新的分析工具。

关键词：混凝土断裂相场法 Abaqus 网格尺寸裂纹宽度裂纹扩展长度

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基于光滑有限元法的热-弹相场断裂研究

固体力学学报 2023年第3期44卷 346-354页

作者：马玉娥陈鹏程郭雯彭帆西北工业大学航空学院西安710072 长安大学理学院西安710064

基于相场理论,论文构建了热力耦合作用下热-弹性材料的复杂断裂控制方程,采用光滑有限元法对该模型进行了数值离散;设计编写了相应的Matlab计算程序;开展了热-力载荷下的二维拉伸断裂模拟,将结果和有限元计算结果对比,吻合一致.同时采... 详细信息

基于相场理论,论文构建了热力耦合作用下热-弹性材料的复杂断裂控制方程,采用光滑有限元法对该模型进行了数值离散;设计编写了相应的Matlab计算程序;开展了热-力载荷下的二维拉伸断裂模拟,将结果和有限元计算结果对比,吻合一致.同时采用该模型开展热冲击下陶瓷板的多裂纹扩展过程模拟,计算结果和实验结果吻合良好,验证了论文方法的有效性.

关键词：断裂相场法热力耦合光滑有限元法热冲击裂纹扩展

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基于相场法的多孔弹塑性材料断裂行为研究

基于相场法的多孔弹塑性材料断裂行为研究

作者：葛皓哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

以钢材、铝合金等为代表的弹塑性材料被广泛应用于航空航天、能源动力、交通运输等关键工业领域。由于严苛的服役环境和复杂的载荷工况,此类材料在服役过程中往往会产生塑性变形、微裂纹的萌生直至宏观上的裂纹扩展等非线性行为,最终表... 详细信息

以钢材、铝合金等为代表的弹塑性材料被广泛应用于航空航天、能源动力、交通运输等关键工业领域。由于严苛的服役环境和复杂的载荷工况,此类材料在服役过程中往往会产生塑性变形、微裂纹的萌生直至宏观上的裂纹扩展等非线性行为,最终表现为断裂破坏。经典的断裂力学理论在描述此类行为时存在一定的瓶颈。发展一套能够准确预报此类材料失效行为的理论具有重要的科学意义和工程价值。本文建立了一种考虑能量阈值的弹塑性材料断裂相场模型,提出了一种高效准确的整体法求解方案。通过定义历史场变量函数,实现了对多孔弹塑性材料断裂行为的准确预报。本文的主要工作可以分为三个部分:首先,在经典断裂相场法的基础上,建立了一种考虑能量阈值的弹塑性断裂相场模型。该模型在构建系统的能量泛函时,采用了断裂能体积密度的概念。通过定义历史场变量函数,在相场演化方程中引入了能量阈值。该模型实现了对韧性断裂行为的准确预报。交替法求解断裂相场模型效率偏低。针对这一问题,本文提出了基于BFGS拟牛顿算法的整体法求解方案,给出了这一方案在商业有限元软件ABAQUS中的具体实现方法。通过典型算例,对比了该求解方案与交替法求解方案的计算效率。结果表明,这一整体法求解方案在保证计算结果准确的前提下,能够将计算效率提高一个数量级。然后,本文对多孔弹塑性材料的韧性断裂行为进行了研究。实际的铝合金等金属材料的内部是存在孔洞的,其变形受到孔洞演化的影响。其内部的微观孔洞结构及其演化在宏观上体现为塑性变形受静水压应力的影响。针对这一现象,本文基于GTN塑性理论,建立了描述多孔弹塑性材料韧性断裂行为的断裂相场模型。模型采用了本文提出的BFGS整体法求解方案进行数值实现。通过典型算例,讨论了该模型中历史场变量的形式对裂纹相场演化的影响。通过与实验结果的对比,证明了该模型对多孔弹塑性结构件韧性断裂行为的准确预报能力。最后,针对多孔弹塑性材料的复杂微观结构,研究了其细观代表性体积单元的断裂行为。分别取三种不同尺度的含孔洞代表性体积单元,在不同的断裂能体积密度下,研究了其断裂行为。结果表明,代表性体积单元的断裂行为具有明显的尺寸效应。断裂能体积密度较小时,弹性能足以驱动裂纹演化,材料发生脆性断裂。随着断裂能体积密度的增加,弹性能不足以驱动裂纹演化。此时,弹性能和塑性功共同驱动裂纹演化,材料由脆性断裂转为韧性断裂。本文为多孔弹塑性材料的断裂行为预报提供了重要的理论支撑和高效的计算方案。

关键词：断裂相场法断裂力学有限单元法塑性

UHPC中钢纤维的增强机理:一种新的断裂相场模型

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Journal of Central South University 2024年第1期31卷 225-236页

作者：赵冰李先正潘军彭晖彭旭龙张振浩宋战平赵漠雨 School of Civil Engineering Changsha University of Science and TechnologyChangsha 410004China College of Civil Engineering Xi’an University of Architecture&TechnologyXi’an 710055China School of Materials Science and Engineering Northeastern UniversityShenyang 110167China

超高性能混凝土(UHPC)是一种具有巨大潜力的复合材料。为了降低UHPC的成本并获得更好的性能,有必要研究钢纤维在UHPC中的增强机理,实践中也需要一个有效的数值模型来促进UHPC的应用。钢纤维从UHPC中拔出时会产生新的裂纹面,进而需要消... 详细信息

超高性能混凝土(UHPC)是一种具有巨大潜力的复合材料。为了降低UHPC的成本并获得更好的性能,有必要研究钢纤维在UHPC中的增强机理,实践中也需要一个有效的数值模型来促进UHPC的应用。钢纤维从UHPC中拔出时会产生新的裂纹面,进而需要消耗更多的能量。基于此,推导了新裂纹及其裂纹表面能的公式,提出了一种考虑钢纤维与UHPC基体之间界面断裂能的断裂相场模型。利用该模型,对含钢纤维的三维UHPC试样进行了单轴拉伸数值模拟;开展对比实验验证了所提模型的正确性。结果表明,模拟结果与实验结果吻合较好。通过分析不同试样的新裂纹面与拉伸强度间的关系,发现UHPC的抗拉强度和残余强度随钢纤维体积含量的增加而增加,随钢纤维直径的增加而降低。进一步分析发现,UHPC的抗拉强度与钢纤维的侧表面积成正比。理论分析、数值模拟和实验表明,钢纤维在UHPC中的增强机理为:钢纤维的加入使UHPC基体与钢纤维在断裂过程中产生了一些新的裂纹,这些新裂纹消耗了更多的能量。本文研究工作可为UHPC的性能设计和开发有效的UHPC数值模型提供理论依据。

关键词：超高性能混凝土钢纤维断裂相场法拉伸强度增强机理裂纹表面能

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基于相场法的裂纹路径扩展模拟

基于相场法的裂纹路径扩展模拟

作者：贾杭奇郑州轻工业大学

学位级别：硕士

长期受载服役下材料结构的完整性至关重要。裂纹、孔洞和夹杂物等缺陷是引起结构断裂的重要原因,这些缺陷降低了结构在服役期间的可靠性。因此,进行裂纹损伤扩展和疲劳寿命预测的数值仿真分析对于工程结构的完整性评估是极其重要的。由... 详细信息

长期受载服役下材料结构的完整性至关重要。裂纹、孔洞和夹杂物等缺陷是引起结构断裂的重要原因,这些缺陷降低了结构在服役期间的可靠性。因此,进行裂纹损伤扩展和疲劳寿命预测的数值仿真分析对于工程结构的完整性评估是极其重要的。由于相场模型框架能够有效模拟结构中复杂的裂纹演化且不需要显式地追踪裂纹扩展路径的优势,本文结合B＿Bar应变矩阵和BFGS拟牛顿求解算法,对弹塑性材料结构中裂纹损伤扩展和疲劳寿命预测建立一种有效的断裂相场损伤模型框架。本文的主要工作如下:首先,构建了B＿Bar应变矩阵修正后的BFGS断裂相场损伤模型框架。分别在二维和三维脆性结构中,针对此相场模型框架的有效性和鲁棒性进行验证,并给出了相场模型框架与有限元软件结合的实现方式;同时为了探究不同载荷加载方式对裂纹扩展的影响,引入应变谱分解的方法对弹性应变能进行分解,验证了应变谱分解的相场损伤模型框架在拉压载荷作用下能够有效地预测裂纹的损伤扩展路径。然后,提出一种带有损伤阈值的断裂损伤相场模型框架并应用于塑性材料结构中。通过在相场模型框架中引入一个损伤阈值,确保了相场参数不会在加载的初始阶段就进行损伤演化;同时在框架中引入惩罚项,避免了历史场变量出现负值的情况,该模型框架的提出实现了对塑性裂纹扩展路径的有效预测。此外,分析了不同参数对材料结构中裂纹的扩展路径和峰值载荷的影响,并结合BFGS拟牛顿算法以提高模型计算的效率和精度。最后,引入疲劳函数建立了裂纹疲劳损伤扩展的BFGS相场模型框架。通过弹塑性单边裂纹的疲劳损伤扩展验证了疲劳模型框架的有效性。同时分析了脆性结构中弹性应变能的分解以及塑性结构中不同硬化模量参数对结构中裂纹疲劳扩展寿命的影响。结果表明,能量分解和硬化模量参数对于提高结构的抗疲劳性能有着显著的影响,为后续裂纹的疲劳损伤扩展提供了一些理论依据。综上所述,本文通过对弹塑性结构的裂纹损伤扩展进行深入的研究,以及对裂纹的疲劳损伤扩展进行了初步探讨,为工程应用中的结构设计提供了理论基础和技术支撑。

关键词：断裂相场法数值仿真应变能分解弹塑性材料裂纹扩展

含粗骨料UHPC单轴压缩试验及其断裂相场法数值模拟

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含粗骨料UHPC单轴压缩试验及其断裂相场法数值模拟

作者：徐亚星长沙理工大学

学位级别：硕士

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,UHPC)是当今最具创新性和实用性的水泥基复合材料,具有超高强度、超高韧性和超长耐久性。根据是否含有粗骨料可将超高性能混凝土分为含粗骨料的超高性能混凝土(Ultra-High Performance ... 详细信息

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,UHPC)是当今最具创新性和实用性的水泥基复合材料,具有超高强度、超高韧性和超长耐久性。根据是否含有粗骨料可将超高性能混凝土分为含粗骨料的超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete With Coarse Aggregate,UHPC-CA)和普通 UHPC。其中,UHPC-CA 可以减少胶凝材料用量、降低成本,有利于节能减排,具有非常广阔的应用前景。然而粗骨料的掺入在提升了 UHPC材料经济性的同时,也劣化了材料的强度指标,因而研究粗骨料如何影响UHPC-CA强度具有重要意义。本文主要研究工作及结论如下:对含粗骨料和不含粗骨料的超高性能混凝土立方体试件进行单轴压缩试验,比较两种试件的破坏形式,分析粗骨料对UHPC破坏形式的影响,重点研究了粗骨料体积分数以及骨料级配对UHPC-CA抗压强度的影响。试验结果表明,含粗骨料的超高性能混凝土立方体试件破坏首先从骨料与水泥砂浆的交界处产生,然后随着加载形成大范围的裂缝导致UHPC-CA试件破坏;粗骨料体积分数以及骨料级配对UHPC-CA材料的抗压强度的影响显著;UHPC-CA的抗压强度随着骨料体积分数的增加而降低,随着骨料级配的增加而增加。为了进一步探讨骨料体积分数和最大骨料粒径对UHPC-CA抗压强度的影响,引入断裂相场法对UHPC-CA试件进行单轴压缩数值模拟。基于蒙特卡洛模拟方法的数值模拟结果与试验结果吻合较好;正交数值试验表明,粗骨料体积分数在20%～40%范围内时,试件的抗压强度与骨料体积分数线性相关;骨料级配G1～G4,即最大骨料粒径为2mm～8mm时,试件的抗压强度与最大骨料粒径呈反比例函数关系;根据上述关系给出一个关于骨料体积分数和最大骨料粒径的UHPC-CA抗压强度预测模型。最后,本文对不同尺寸的UHPC-CA进行数值模拟,对UHPC-CA的抗压强度尺寸效应进行探讨。结果表示,UHPC-CA的抗压强度随试件尺寸的增大而减小,试件尺寸越小,尺寸效应越明显。考虑尺寸效应对UHPC-CA抗压强度预测模型进行修正,修正后的强度预测模型可为UHPC-CA的推广提供支撑性研究,为大尺寸UHPC-CA结构的可靠性设计与评估提供试验与理论基础,还可为非均质材料尺寸效应的研究提供新方法。

关键词：含粗骨料超高性能混凝土(UHPC-CA) 断裂相场法单轴抗压强度蒙特卡洛模拟尺寸效应

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PBX炸药断裂行为仿真计算方法研究

火炸药学报 2023年第6期46卷 484-494,I0001页

作者：袁洪魏唐维中国工程物理研究院化工材料研究所四川绵阳621900 中国工程物理研究院研究生院北京100193

针对PBX材料的拉压不对称性,基于断裂相场变分理论,结合广义Maxwell黏弹性本构模型,采用应变张量谱分解的方法对弹性能进行分解,建立了黏弹性断裂相场模型。采用建立的模型开展了典型PBX材料的单轴拉压、围压压缩、带孔板压缩及细观结... 详细信息

针对PBX材料的拉压不对称性,基于断裂相场变分理论,结合广义Maxwell黏弹性本构模型,采用应变张量谱分解的方法对弹性能进行分解,建立了黏弹性断裂相场模型。采用建立的模型开展了典型PBX材料的单轴拉压、围压压缩、带孔板压缩及细观结构压缩等仿真分析,得到的单轴拉压应力—应变曲线、围压压缩应力—应变曲线、带孔板压缩裂纹形貌、细观结构压缩裂纹形貌均与试验结果较为一致,且单轴拉压强度描述误差小于2.2%,压缩强度随围压变化的斜率误差小于3%,带孔板在相同裂纹长度时的载荷误差小于12%。结果表明,提出的黏弹性断裂相场模型能准确考虑PBX材料的拉压不对称性,并且可以自然地描述不同围压下的力学行为,同时可以无需特殊处理便进行PBX多裂纹萌生、扩展、分叉和融合行为的仿真分析。相场法在描述PBX材料的力学行为以及PBX结构的断裂行为上具有显著的优势和潜力。

关键词：材料力学高聚物黏结炸药 PBX 黏弹性拉压不对称性多裂纹分叉融合断裂相场法

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板状弥散型核燃料断裂行为相场模拟研究

板状弥散型核燃料断裂行为相场模拟研究

作者：陈天峥哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

相比化石燃料,核能具有能量密度极高、燃料储量丰富等优点,且其能量转化过程对环境污染更小。作为第四代核电技术的重要组成部分,弥散型核燃料在服役过程中反应均匀、温度梯度小,因而能达到更高的燃耗。随着核电站设计服役年限延长,为... 详细信息

相比化石燃料,核能具有能量密度极高、燃料储量丰富等优点,且其能量转化过程对环境污染更小。作为第四代核电技术的重要组成部分,弥散型核燃料在服役过程中反应均匀、温度梯度小,因而能达到更高的燃耗。随着核电站设计服役年限延长,为保证在核电站服役过程中安全稳定地运行,防止灾难性事故发生,需要对弥散型核燃料的断裂行为和失效进行预测。弥散型核燃料的等效弹性性质、辐照肿胀、蠕变等方面的力学性能已受到国内外专家学者较为广泛的关注与研究,然而其在断裂力学方面的研究较少,有待进一步发展。本文以二氧化铀(UO)增强核级锆合金(Zr-4)基体的燃料芯体为研究对象,应用断裂相场法分别对弥散于燃料芯体中的UO燃料颗粒和燃料芯体整体进行模拟研究。得到裂纹在燃料颗粒和燃料芯体内部萌生、扩展、连通的全过程以及颗粒开裂内压阈值、芯体开裂临界燃耗。(1)概述板状弥散型核燃料特点、优势以及其在服役过程中断裂行为研究的意义。板状弥散型核燃料芯体本质上为陶瓷燃料颗粒增强金属基复合材料,结合国内外对其断裂力学研究方法的发展现状,提出发展适用于板状弥散型核燃料的断裂相场法,并对其服役过程中裂纹的萌生、扩展以及断裂行为进行模拟研究。(2)考虑燃料颗粒服役环境下受力情况,建立多孔材料断裂的相场理论。经典的断裂相场理论通过引入长度尺度标量7)以及相场变量(9,将离散的裂纹面转化为弥散的裂纹区域,通过对弹性体求其能量泛函的变分得到相场控制方程和演化方程。在经典相场理论基础上,考虑燃料颗粒因裂变反应导致的复杂气孔分布、较高孔隙内压以及高温引起的热应变,推导多孔材料断裂的相场理论并给出相应的有限元离散形式。(3)基于多孔材料断裂的相场理论,在细观尺度上对二氧化铀(UO)燃料颗粒进行相场模拟。将不同气孔分布模式(不同密度、不同直径、不同气压以及均布与否)作为影响因素,研究燃料颗粒随着孔隙压力变化,其内部裂纹萌生、扩展的阶段,以获得板状弥散型核燃料服役时UO燃料颗粒在不同气孔分布模式下内部裂纹萌生时的内压阈值、裂纹扩展形貌以及裂纹扩展路径等断裂参量。(4)基于多孔材料断裂的相场理论,在宏观尺度上对二氧化铀(UO)增强核级锆合金(Zr-4)基体的燃料芯体进行相场模拟。将不同颗粒分布模式(不同密度、均布与否以及团聚程度)作为影响因素,并考虑总和热应变,即高温导致的热膨胀应变和高燃耗下的辐照肿胀应变,研究陶瓷燃料颗粒中裂纹贯穿进入金属基体中扩展的阶段,以获得板状弥散型核燃料服役时燃料芯体在不同燃料颗粒分布模式下芯体整体裂纹扩展不同阶段时的临界燃耗、裂纹扩展形貌以及裂纹扩展路径等断裂参量。

关键词：弥散型核燃料断裂相场法内压阈值临界燃耗