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力电流联合载荷作用下GaN半导体准脆性断裂行为

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半导体技术 2023年第10期48卷 895-901页

作者：王蕾王世杰朱登洁卢春生河南省计量测试科学研究院郑州450018 河南工业大学机电工程学院郑州450001 郑州大学力学与安全工程学院郑州450001

压电半导体(PSC)结构在工程应用中不可避免地受电流、应力场等共同作用,多场应用环境往往导致其发生复杂的变形、断裂失效等问题。通过引入影响特征裂纹长度的电流参数,建立了压电半导体在力电流联合载荷作用下断裂行为的预测模型。经... 详细信息

压电半导体(PSC)结构在工程应用中不可避免地受电流、应力场等共同作用,多场应用环境往往导致其发生复杂的变形、断裂失效等问题。通过引入影响特征裂纹长度的电流参数,建立了压电半导体在力电流联合载荷作用下断裂行为的预测模型。经力电流联合载荷实验验证,该模型预测范围涵盖了所有强度和断裂实验数据点,表明其可以有效地预测压电半导体的准脆性断裂行为。系统研究了电流载荷对压电半导体准脆性断裂行为的影响,为复杂环境下GaN构件的可靠性设计提供了一定的理论及数据支撑。

关键词： GaN 压电半导体(PSC) 力电流联合载荷准脆性断裂拉伸强度断裂韧性

一种模拟准脆性断裂问题的相场法能量退化法则

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中国农村水利水电 2022年第7期 201-207页

作者：张巍庄梦如朱潇潇沈蔚陈敏淮安市水利勘测设计研究院有限公司江苏淮安223005

介绍了相场法模拟准脆性断裂问题的基本原理,描述了幂函数能量退化法则与Borden能量退化法则,提出了一种模拟准脆性断裂问题的相场法耦合能量退化法则,该法则通过权重系数将幂函数能量退化法则与Borden能量退化法则进行耦合,可较为全面... 详细信息

介绍了相场法模拟准脆性断裂问题的基本原理,描述了幂函数能量退化法则与Borden能量退化法则,提出了一种模拟准脆性断裂问题的相场法耦合能量退化法则,该法则通过权重系数将幂函数能量退化法则与Borden能量退化法则进行耦合,可较为全面地反映材料的断裂行为。编制了二维相场法计算程序,以单边缺口正方形板为例,验证了程序的准确性。研究了耦合能量退化法则对单边缺口方形板拉伸断裂行为的影响,耦合能量退化法则参数s与m越大,拉伸荷载峰值越低;增加参数w,拉伸荷载峰值会提高。模拟了直裂缝半圆弯曲岩石试样断裂过程,分析了不同耦合能量退化法则参数下岩石试样的裂缝扩展过程,耦合能量退化法则参数m对荷载峰值影响较小,荷载峰值与参数s负相关,与参数w正相关。耦合能量退化法则可以较好地反映材料的准脆性断裂与脆性断裂行为。

关键词：能量退化准则相场法准脆性断裂拉伸断裂半圆弯曲试样

考虑骨料体积含量影响的混凝土准脆性断裂预测模型及应用

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工程力学 2018年第10期35卷 75-84页

作者：徐平胡晓智张敏霞马金一河南理工大学土木工程学院河南焦作454003 西澳大学机械与化学工程学院

基于对准脆性断裂边界影响模型参数的分析,该文将平均骨料粒径d_(ave)引入模型中,得到了考虑骨料体积含量及尺寸影响的混凝土准脆性断裂预测模型。模型中的有效裂缝与特征裂纹的比值,明确表征了三分点加载单边切口梁(SENB)试件的尺寸及... 详细信息

基于对准脆性断裂边界影响模型参数的分析,该文将平均骨料粒径d_(ave)引入模型中,得到了考虑骨料体积含量及尺寸影响的混凝土准脆性断裂预测模型。模型中的有效裂缝与特征裂纹的比值,明确表征了三分点加载单边切口梁(SENB)试件的尺寸及初始缝长度变化时服从的断裂失效准则;模型中d_(ave)及分散系数β_(ave)将影响最大荷载P_(max)作用下临界微裂纹扩展区的平均虚拟裂纹长度Δa_(fic)。通过SENB试件在P_(max)时的受力分析,得到了临界正应力s_n、有效裂缝长度a_e、拉伸强度f_t及断裂韧度KIC之间的关系式。通过Amparano的试验结果,当afic为0.8~1.4倍d_(ave)时,采用混凝土准脆性断裂模型能较好预测混凝土拉伸强度及断裂韧度。通过对Δa_(fic)=1.2d_(ave)时模型得到的预测曲线与试验结果的对比,证明了模型计算结果的可靠性。考虑骨料体积含量影响的混凝土准脆性断裂模型能基于RILEM规范中三分点加载SENB试验预测混凝土断裂韧度与拉伸强度。

关键词：边界影响模型准脆性断裂混凝土骨料断裂韧度拉伸强度

基于ABAQUS二次开发的（准）脆性断裂相场法数值模拟研究

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基于ABAQUS二次开发的（准）脆性断裂相场法数值模拟研究

作者：叶海陇太原理工大学

学位级别：硕士

材料裂纹扩展规律的研究具有重大的理论意义和巨大的工程应用价值,一是能够用于评价结构稳定性,防止灾难性事故发生;二是能够指导设计工程压裂技术方案,对裂缝形态进行预测,优化工艺参数,实现煤矿顶板定向压裂垮落和石油、煤层气、页岩... 详细信息

材料裂纹扩展规律的研究具有重大的理论意义和巨大的工程应用价值,一是能够用于评价结构稳定性,防止灾难性事故发生;二是能够指导设计工程压裂技术方案,对裂缝形态进行预测,优化工艺参数,实现煤矿顶板定向压裂垮落和石油、煤层气、页岩气等矿产资源的高效产出。ABAQUS是主流有限元商业软件之一,其用户界面友好,单元类型丰富,特别是擅长于模拟固体材料的非线性破坏,但其内置的断裂分析模块主要为黏聚型单元和扩展有限元,虽然可以模拟少数裂纹的偏转,但难以模拟裂纹的分叉、交融等复杂裂缝形态。相场法是近年来兴起的一种新型断裂模拟方法,实现了裂纹的萌生、扩展、分叉、融合,在模拟复杂裂纹形态上展现出巨大优势。目前,ABAQUS尚缺少相场法分析模块,而一些实现了相场法的开源有限元程序又由于操作不便,难以使用和推广,因此本文致力于断裂数值计算软件创新开发,结合ABAQUS基础和相场法模型特征,二次开发搭建一种操作简单、便捷使用的(准)脆性相场法框架,其集成多种断裂模式,同时适用于脆性和准脆性断裂数值模拟计算,深入研究脆性、准脆性材料和工程结构内部发生断裂损伤及破坏失效过程中复杂断裂裂纹扩展规律。本论文主要完成的工作及结论如下:(1)基于ABAQUS平台并结合相场法模型特征进行了二次开发,使用内置用户自定义材料模块(UMAT)和外部Fortran语言编写的HETVAl文件,根据断裂问题复杂程度以及收敛条件要求选择有限元算法程序内部解决方案,通过构建的热传递-相场断裂类比方程,让UMAT和HETVAl两部分在算法程序内部实现关联、交互计算,成功搭建了(准)脆性相场法框架。(2)使用ABAQUS二次开发的(准)脆性相场法框架开展了脆性断裂相场法数值模拟研究,初步展示了该框架能够捕获复杂断裂裂纹扩展效果,并得出以下结论:1)在单边缺口平板拉伸、单边缺口平板剪切模型脆性断裂数值模拟计算中,其捕获的断裂裂纹形态、内部力-位移响应曲线数据与文献模拟结果基本一致,验证了(准)脆性相场法框架开展脆性断裂数值模拟计算的稳健性。2)在相同含量非均质复合材料分界面上,断裂裂纹发生了分支现象,其大部分载荷由上部硬质材料承受,且上、下部分材料属性差异超过十倍后,断裂裂纹会出现第二次分支,发生穿层断裂;在不同含量非均质复合材料内部,断裂裂纹绕过硬质材料边界进行曲折扩展,且当硬质材料含量从10%增大到20%、30%,复合材料抵抗断裂破坏的能力不断增强。3)在单孔洞缺陷材料内部,裂纹在新位置处再次成核、扩展,其承载力与位移响应曲线呈现二次加卸载特征,第一次、第二次承受最大载荷分别为518N、128N;多孔缺陷不同水平距离分布、不同排列形式分布、不同垂直距离分布下,在一定范围内对断裂裂纹扩展具有导向作用;在随机多孔缺陷下,断裂裂纹成核、扩展机理比较复杂,可以同时在内部产生多条断裂裂纹实现交叉融合。4)在单级裂纹平板动态损伤演化过程中发生了裂纹动态分支,内部动能曲线呈上升趋势,最大动能达8.5J,而弹性应变能曲线却呈现出前期波动上升、后期下降的趋势,最小弹性应变能为3.8J;不同夹角交叉裂纹的动态分支能力有所不同,夹角为30°、45°、60°时,裂纹分支依次增多,60°交叉裂纹多达7次分支,而之后开始减少,90°交叉裂纹仅3次分支。(3)使用ABAQUS二次开发的(准)脆性相场法框架开展了准脆性断裂相场法数值模拟研究,展示了准脆性断裂过程中复杂断裂裂纹扩展效果,并得出了以下结论:1)在简支梁受三点弯曲载荷准脆性断裂数值模拟计算中,其捕获的相场裂纹形态、内部力-位移响应曲线数据与文献模拟结果基本吻合,验证了(准)脆性相场法框架实施准脆性断裂数值模拟计算的稳定性。2)(准)脆性相场法框架能够捕获岩石类准脆性材料内部Ⅰ型裂纹、Ⅱ型裂纹、混合加载模式下的Ⅰ/Ⅱ型复合裂纹扩展形态以及不同等级煤质煤岩在断裂过程中特有的载荷-位移软化响应曲线。同时发现随着煤阶的升高,所能承受最大载荷也增大,其软化响应曲线非线性程度逐渐降低;在尺寸效应研究中发现,所能承受最大载荷均随着尺寸增大而增大,但是增大幅度却开始减小,其中弱粘煤承受最大载荷从947N增大到1506N、1824N,增大幅度由59%减小为21%;肥煤从1197N增大到1712N、2345N,增大幅度由43%减小为37%;贫煤从1512N增大到2502N、3300N,增大幅度由65%减小为32%;3)(准)脆性相场法框架适用于简单二维模型和复杂三维模型准脆性断裂分析,捕获到了混凝土在混合加载模式下的Ⅰ/Ⅱ型复合裂纹的扩展行为以及特有的软化响应曲线;4)(准)脆性相场法框架适用于后期预测工程岩体断裂危害分析。在库水溢流作用下,当尾矿库坝体断裂裂纹由一条增加到两条、三条,坝体内部所能承受载荷由20544kN减小到19664kN、18391kN,可见断裂裂纹增多会降低坝体抵抗断裂破坏的能力;不管断裂裂纹在坝体上部还是下部,随着断裂裂纹角度从30°增加到45°、

关键词：裂纹扩展相场法 ABAQUS二次开发 (准)脆性相场法框架准脆性断裂载荷-位移软化响应曲线

重组竹横向准脆性断裂的拉伸强度及尺寸效应研究

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重组竹横向准脆性断裂的拉伸强度及尺寸效应研究

作者：谢鹏北京林业大学

学位级别：硕士

重组竹是一种绿色可再生的单向纤维复合材料,具有结构致密均匀、力学性能高强稳定、尺寸因需而定、原材料利用率高等特点,在工程应用方面前景广阔。对于重组竹,通过材料力学计算的纵向拉伸强度往往存在尺寸效应,可采用断裂力学方法进行... 详细信息

重组竹是一种绿色可再生的单向纤维复合材料,具有结构致密均匀、力学性能高强稳定、尺寸因需而定、原材料利用率高等特点,在工程应用方面前景广阔。对于重组竹,通过材料力学计算的纵向拉伸强度往往存在尺寸效应,可采用断裂力学方法进行分析。为研究重组竹拉伸强度和尺寸效应,该文对不同尺寸的几何相似与非几何相似的重组竹单边切口(SEN)试样进行了三点弯曲横向I型断裂试验,通过荷载-位移曲线,分析总结出重组竹的横向准脆性断裂过程可以分为三个阶段:线弹性阶段,软化阶段和失效破坏阶段。基于多相材料准脆性断裂的边界效应模型,引入竹纤维束的平均直径G这一重要的细观结构参量,分析重组竹细观结构与宏观断裂性能之间的量化关系,建立了以拉伸强度f为断裂参数的拉伸强度模型。并采用三种常见的数理统计模型,即正态分布、威布尔分布以及对数正态分布对单边切口试样的试验数据进行了对比分析,结果表明正态分布分析具有较高的精度和可靠性,并得到具有96%可靠性的重组竹拉伸强度和断裂韧度。拉伸强度模型的计算结果表明,无论是几何相似试样还是非几何相似试样,拉伸强度值都在96%的可靠性区间范围之内,并与竹纤维的拉伸强度和体积分数计算得到的理想拉伸强度较为吻合。可见,拉伸强度模型的计算结果不受材料尺寸效应影响,该方法得到的重组竹拉伸强度可看作是材料本身固有的性能。因此,利用实验室常规尺寸试样(高度为50mm)即可预测大尺寸构件的断裂参数,最大相对误差仅为7.68%。因此,使用该方法预测重组竹断裂参数在不同尺寸范围材料应用上具有很大的便捷性。除此之外,作者为研究含水率变化对重组竹断裂参数的影响,对不同含水率范围在5%-25%的单边切口试样进行三点弯曲试验,试验结果表明,随着重组竹试样含水率的增加,其拉伸强度先上升,而后呈直线下降。综上所述,该文研究成果完善了重组竹固体力学体系,为确定重组竹拉伸强度提供了一种非线性断裂力学方法——拉伸强度模型,为重组竹工业化设计以及实际工程应用提供理论参考。

关键词：重组竹尺寸效应拉伸强度纤维束直径准脆性断裂

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小跨高比混凝土三点弯曲梁双K断裂参数研究

工程力学 2020年第12期37卷 138-146,170页

作者：尹阳阳胡少伟河海大学土木与交通学院南京210024 重庆大学土木工程学院重庆400045

采用小跨高比三点弯曲梁研究了混凝土的断裂性能。基于对跨高比为2.5和4的三点弯曲梁断裂参数计算公式的线性插值,给出了计算小跨高比三点弯曲梁断裂参数的公式。通过开展3种小跨高比三点弯曲梁试验及文献中的试验数据对该文公式进行了... 详细信息

采用小跨高比三点弯曲梁研究了混凝土的断裂性能。基于对跨高比为2.5和4的三点弯曲梁断裂参数计算公式的线性插值,给出了计算小跨高比三点弯曲梁断裂参数的公式。通过开展3种小跨高比三点弯曲梁试验及文献中的试验数据对该文公式进行了验证,结果表明:随试件高度从100 mm增大至200 mm,基于小跨高比三点弯曲梁所得的起裂断裂韧度基本保持不变,而失稳断裂韧度则逐渐增大,但增幅较小。该文所给公式计算所得的双K断裂参数与文献中已有方法所得结果基本相同。解析法得到的起裂断裂韧度与试验法所得结果吻合较好。通过对文献中的试验数据的分析,进一步验证了该文所给的方法可以用于研究小跨高比三点弯曲梁的断裂性能。

关键词：混凝土小跨高比三点弯曲梁准脆性断裂双K断裂模型

由小尺寸试件确定混凝土的断裂韧度与拉伸强度

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工程力学 2019年第1期36卷 70-79,87页

作者：管俊峰姚贤华白卫峰陈记豪付金伟华北水利水电大学土木与交通学院河南郑州450045

该文利用骨料最大粒径dmax=10 mm,试件高度W依次为60 mm、80 mm、100 mm、140 mm、160 mm,厚度B=40 mm的小尺寸三点弯曲梁试件,来确定无尺寸效应的混凝土断裂韧度KIC与拉伸强度ft。区别于现有尺寸效应模型关注于"绝对尺寸W",该文提出"... 详细信息

该文利用骨料最大粒径dmax=10 mm,试件高度W依次为60 mm、80 mm、100 mm、140 mm、160 mm,厚度B=40 mm的小尺寸三点弯曲梁试件,来确定无尺寸效应的混凝土断裂韧度KIC与拉伸强度ft。区别于现有尺寸效应模型关注于"绝对尺寸W",该文提出"相对尺寸W/dmax"的概念,分析了骨料颗粒对有限尺寸试件断裂破坏的影响机理,进而将骨料最大粒径dmax与离散度参数?引入修正的边界效应模型的解析表达式中,发展建立了离散颗粒断裂模型,进而给出了由实验室条件下小尺寸试件(W=60 mm～160 mm和B=40 mm)的峰值荷载Pmax同时确定混凝土材料参数—KIC和ft的实用方法。进而分析了不同试件组合和不同峰值荷载时裂缝扩展量取值对材料参数确定的影响规律,建立了混凝土材料破坏的完整曲线,给出了满足线弹性断裂力学条件的混凝土试件理论最小尺寸,并基于确定的材料参数对各试件的峰值荷载进行了成功预测。。

关键词：混凝土小尺寸试件相对尺寸准脆性断裂断裂韧度拉伸强度

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考虑骨料尺寸的混凝土岩石边界效应断裂模型

工程力学 2017年第12期34卷 22-30页

作者：管俊峰王强 HU Xiaozhi 白卫峰姜斌华北水利水电大学土木与交通学院河南郑州450045 西澳大学机械与化学学院北京科技大学材料科学与工程学院北京100083

该文比较了边界效应模型(BEM)和尺寸效应模型(SEM)在研究材料断裂性能方面的不同。提出了由处于准脆性断裂状态的三点弯曲试件的峰值荷载P_(max),同时确定材料参数——断裂韧度K_(IC)与拉伸强度f_t的理论与方法。由于实验室条件下混凝... 详细信息

该文比较了边界效应模型(BEM)和尺寸效应模型(SEM)在研究材料断裂性能方面的不同。提出了由处于准脆性断裂状态的三点弯曲试件的峰值荷载P_(max),同时确定材料参数——断裂韧度K_(IC)与拉伸强度f_t的理论与方法。由于实验室条件下混凝土试件高度W与骨料最大粒径d_(max)的比例W/d_(max)约为5~20,试件的非均质性明显,破坏为准脆性断裂控制。因此,区别于以连续介质力学为基础的应用于准脆性断裂研究的力学模型,该文研究将骨料最大粒径d_(max)引入相应的断裂模型解析表达式中,由参数组合β·d_(max)来计算结构峰值状态对应的裂缝扩展量,通过离散参数β的不同取值,实现了对材料参数——断裂韧度与拉伸强度的准确预测。基于不同学者的相同尺寸W而不同初始裂缝长度α_0,以及相同初始缝高比α_0/W而不同尺寸W的几何相似的砂浆、混凝土及岩石类材料试件的试验成果(骨料最大粒径d_(max)从1.2 mm^40 mm变化),验证了所提理论与方法的合理性。

关键词：准脆性断裂骨料粒径断裂韧度拉伸强度边界效应尺寸效应

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一个可区分破坏模式的新应力三轴度参数

应用力学学报 2020年第3期37卷 921-927,I0001页

作者：李向哲许金泉上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200240

三轴应力状态对破坏模式影响很大,但是根据应力三轴度的传统定义难以定量地判断破坏模式。本文根据准脆性断裂和塑性屈服的发生条件,从二者被满足的先后顺序角度,提出了一个新的应力三轴度定义以及临界三轴度这一材料常数。区分破坏模... 详细信息

三轴应力状态对破坏模式影响很大,但是根据应力三轴度的传统定义难以定量地判断破坏模式。本文根据准脆性断裂和塑性屈服的发生条件,从二者被满足的先后顺序角度,提出了一个新的应力三轴度定义以及临界三轴度这一材料常数。区分破坏模式的判据可简单地表示为:当应力三轴度大于材料的临界三轴度时,则发生准脆性断裂;当应力三轴度小于临界三轴度时,则先发生屈服和塑性变形。通过对平面应力和平面应变状态下椭圆孔孔边应力三轴度的理论分析,提出了有限厚度板中裂尖应力三轴度的数值计算方法,考察了不同板厚下单边裂纹裂尖应力三轴度沿板厚方向的分布特点,并给出了相应的经验公式。

关键词：应力三轴度临界三轴度破坏模式准脆性断裂塑性屈服