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分层损伤作为复合材料结构最常见的损伤形式之一,严重影响复合材料结构力学性能,威胁飞机飞行安全,而Z-pin增强技术能够明显提高复合材料界面力学性能。但是目前,Z-pin增强复合材料结构的数值模拟存在很大的不足,往往会出现严重的收敛性问题,大幅度增加仿真时间,加大计算成本。为了解决以上问题,文本将扩展有限元(XFEM)与粘聚区模型(CZM)结合,提出了一种适合模拟Z-pin增强复合材料层间分层的用户自定义单元(UEL),本文的主要研究工作包括如下:(1)根据Z-pin的细观模型,得到不同混合率下的Z-pin桥联率,并将桥联率均匀化输入到CZM,最后与传统界面本构关系叠加,得到Z-pin增强后界面的本构关系。(2)提出了基于CZM框架下的XFEM,并阐述了扩展有限元基本原理和实现流程。(3)以传统复合材料帽型结构为例,通过Abaqus进行常规建模和分析,得出网格大小对结构数值分析结果的影响,然后以合适的网格大小,对其进行参数化建模,并结合UEL子程序进行仿真。最后得到的两种仿真结果均与试验结果一致,中间预制分层位置处首先发生分层,随后分层从中间向两周扩展。其中通过UEL数值分析得到的破坏位移5.25mm与试验值5.025mm相差4.48%,破坏载荷7133.40N与试验值7281.25N相差2.03%。(4)以Z-pin增强复合材料帽型结构为例,通过UEL对Z-pin增强复合材料帽型结构的三点弯曲进行建模和分析。得到的仿真结果与试验结果一致,两者均在界面两边首先发生分层并逐渐向中间扩展,且仿真得到的破坏位移9.24mm与试验值8.64mm相差6.9%,破坏载荷6223.04N与试验值6027N相差3.25%。

关键词：复合材料帽型结构层间分层粘聚区模型扩展有限元法用户自定义单元 z-pin

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基于虚拟裂纹闭合技术的轮胎疲劳寿命仿真研究

基于虚拟裂纹闭合技术的轮胎疲劳寿命仿真研究

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作者：何川华南理工大学

学位级别：硕士

轮胎作为一种由帘线和橡胶组成的复合材料,具有典型的疲劳破坏特征。若车辆在行驶过程中轮胎发生疲劳失效甚至爆胎,不仅严重威胁驾乘人员以及他人的生命安全,也会对交通的正常运行造成极大的影响。因此,轮胎的疲劳耐久性能是汽车安全的... 详细信息

轮胎作为一种由帘线和橡胶组成的复合材料,具有典型的疲劳破坏特征。若车辆在行驶过程中轮胎发生疲劳失效甚至爆胎,不仅严重威胁驾乘人员以及他人的生命安全,也会对交通的正常运行造成极大的影响。因此,轮胎的疲劳耐久性能是汽车安全的重要影响因素之一,相应的标准和法规也愈发严格。目前,对于轮胎疲劳耐久性能的研究多依靠试验方法。由于试验方法投入高且周期长,严重影响了研发工作的成本控制和效率提升。近年来,随着计算机性能的飞速发展和有限元方法的不断完善,利用数值分析方法研究轮胎的疲劳寿命逐渐成为可能。本文以全钢子午线轮胎为研究对象,考虑热效应并基于虚拟裂纹闭合技术(Virtual Crack Closure Technique,简称VCCT),对轮胎进行疲劳寿命仿真研究。首先,建立考虑热效应的轮胎自由滚动有限元模型。采用稳态传输方法得到轮胎在自由滚动工况下的应力应变历程,并以此为基础通过Matlab编程计算生热率。将轮胎橡胶的生热率定义为热源,结合热边界条件和材料的热性能参数计算轮胎的温度场。再将温度场导入稳态传输模型,计算得到考虑热效应的轮胎三维全局模型。然后,基于VCCT开发用户自定义疲劳断裂单元。以VCCT为基础,结合Paris疲劳裂纹扩展速率公式,使用商业有限元软件ABAQUS的自定义单元(UEL)子程序功能,开发VCCT疲劳断裂单元,用于模拟疲劳裂纹的稳态扩展并输出对应的能量释放率和疲劳循环次数,从而预测裂纹模型在交变载荷作用下的疲劳寿命。最后,进行轮胎带束部位和胎圈部位的疲劳寿命分析与评价。将试验轮胎的切断面疲劳破坏病相分析与有限元应变能密度云图分析相结合,确定轮胎裂纹的所处位置、尺寸及扩展方向,并据此建立相应的局部模型。将VCCT疲劳断裂单元嵌入局部模型的裂纹面,模拟裂纹扩展并输出能量释放率和疲劳循环次数。将轮胎疲劳寿命的仿真结果与轮胎转鼓试验结果比较,证明了仿真方法的有效性。综上所述,基于虚拟裂纹闭合技术的轮胎疲劳寿命仿真分析方法,可以实现对带束部位和胎圈部位的有效评价,使用这一方法将显著提高轮胎疲劳性能的优化设计效率。

关键词：全钢子午线轮胎疲劳寿命热效应虚拟裂纹闭合技术用户自定义单元

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基于XFEM的混凝土裂纹扩展模拟方法及应用研究

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作者：霍俊怡华北水利水电大学

学位级别：硕士

在结构或设备服役过程中常由于局部开裂并扩展进而出现一些断裂事故,然而结构局部起裂后裂纹扩展或闭合受到材料的应力状态、约束条件等众多复杂因素影响。因此为了探讨裂纹的扩展机理并预测裂纹的扩展路径,有必要对含裂纹的结构开展裂... 详细信息

在结构或设备服役过程中常由于局部开裂并扩展进而出现一些断裂事故,然而结构局部起裂后裂纹扩展或闭合受到材料的应力状态、约束条件等众多复杂因素影响。因此为了探讨裂纹的扩展机理并预测裂纹的扩展路径,有必要对含裂纹的结构开展裂纹扩展的分析研究,从而为结构的安全设计和加固方案提供参考,以此确保结构的正常使用。由于传统有限元法难以处理裂纹扩展所涉及的不连续力学问题,而扩展有限元法基于有限元法的基本框架修改位移模式且表征了裂纹附近位移场和应力场的不连续性,使得裂纹独立于网格存在,因此扩展有限元法成为处理裂纹问题最有效的数值方法。本文基于扩展有限元法的基本理论,编写了ABAQUS用户自定义单元程序,实现了裂纹静态模拟和拟静态扩展的数值模拟研究,主要的研究内容与结论如下:1介绍了扩展有限单元法的基本理论,选用最大周向拉应力断裂准则判断裂纹扩展状态,在此基础上编写了用户自定义单元程序,给出了单元开发的基本流程,并通过典型算例分析和混凝土梁的裂纹扩展实验与数值模拟验证了程序的可行性。2将用户自定义单元程序应用到典型裂纹问题中去,并考虑网格密度、J积分区域范围、裂纹加强区域范围和裂纹初始长度等因素对裂纹扩展模拟结果的影响,对比分析数值计算结果可知,对裂纹尖端附近网格进行加密处理就可在有限数目网格下得到精准的计算结果;J积分区域因子取值大于2.5的值时可得到误差稳定且在可控范围内的数值计算结果;裂纹加强区域范围也可有效地降低计算误差;裂纹总体的扩展趋势不受裂纹初始长度的影响。选用合适的网格和J积分区域范围对双边裂纹扩展进行数值模拟时,误差可控制在0.9%以内。通过对典型裂纹问题的数值模拟分析,将应力强度因子与裂纹扩展路径与理论解进行对比,验证了作者编写的用户自定义单元程序的可行性。3结合混凝土梁的弯曲实验,选取纯弯段和非纯弯段裂纹作为数值模拟计算的初始裂纹,分别采用ABAQUS软件的XFEM模块和用户自定义单元程序对混凝土梁进行裂纹扩展模拟。纯弯段裂纹近似垂直向梁顶扩展,非纯弯段裂纹有向加载点靠近的趋势,与实验中呈现的现象基本一致。将数值计算得到的裂纹扩展路径与实验结果对比,发现用户自定义单元程序的计算结果与实验结果吻合度更高,表明作者编写的用户自定义单元程序能够较为精准地预测混凝土梁的裂纹扩展路径。4将验证后的用户自定义单元程序应用到宁利混凝土重力坝裂纹扩展模拟中,并根据重力坝的静力计算得到的结果,判断出坝踵和坝体上游折断面与垂直面交接的位置处易发生开裂,在这些位置预设初始裂纹,对混凝土重力坝进行裂纹扩展模拟分析。根据数值计算结果可知,混凝土重力坝在高水位下服役时,坝踵位置处裂纹有向重力坝下游面扩展的趋势,且在坝基面易形成贯通区,使重力坝有失稳的风险;重力坝上游靠近坝颈位置处的初始裂纹在高水位作用下向重力坝下游发生扩展,进而重力坝出现贯穿性裂纹破坏。

关键词：扩展有限元法裂纹扩展断裂准则用户自定义单元 J积分

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木框架剪力墙的有限元分析

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作者：钱耀华扬州大学

学位级别：硕士

我国的《木结构设计规范》（GB50005-2003）中新增加了轻型木结构房屋章节,该条文主要是参照加拿大与美国的木结构规范制定的,我国尚没有系统地开展轻型木结构方面的研究工作,因此急需通过研究来填补这方面的空白。在轻型木结构中... 详细信息

我国的《木结构设计规范》（GB50005-2003）中新增加了轻型木结构房屋章节,该条文主要是参照加拿大与美国的木结构规范制定的,我国尚没有系统地开展轻型木结构方面的研究工作,因此急需通过研究来填补这方面的空白。在轻型木结构中钉连接是最主要的连接方式。钉节点的受力性能将直接影响木剪力墙承受侧向荷载的能力,而且木剪力墙的有限元分析大多也是建立在钉节点模型的基础上因此钉节点的研究具有重要的意义。本文介绍了轻型木结构中面板钉节点与骨架钉节点的试验研究,面板钉节点分为垂直钉节点试验与平行钉节点试验,骨架钉节点分为骨架钉拔出试验与骨架钉剪切试验,每组各10个试件,最后利用Matlab对试验数据进行处理、拟合,建立了面板钉节点、骨架钉节点数值模型,通过对比国外一些钉节点模型,发现性能有所差异,国产钉的初始刚度较小而延性较好。将该模型直接运用于后续的有限元分析。本文介绍了三榀不同类型木剪力墙（标准墙、开门洞、开窗洞墙）采用一种新型加载装置进行加载的单向、反复加载试验研究,主要研究其破坏形态、荷载位移曲线、抗剪强度、极限位移、弹性抗侧刚度和墙骨柱上拔,并将试验结果与采用铰接钢梁、连续钢粱加载的试验结果进行比较分析,发现采用平面外荷载传递梁的木剪力墙试件弹性抗侧刚度比铰接荷载传递梁和刚性荷载传递梁木剪力墙试件的弹性抗侧刚度要小等规律。本文利用Johnn用户白定义单元建立钉节点单元,不仅建立了钉节点的骨架曲线模型还引入了滞回规律,并通过算例验证该模型的精确度较高。通过有限元软件ABAQUS建立木剪力墙模型,分析了标准墙体、开门洞墙体在单向与反复荷载作用下的受力性能,在分析过程中引入了变形折减系数γ使其与实际情况更加吻合,并给出了其取值范围。最后将模拟结果与试验结果进行了对比分析,发现该模型的精确度较高。该方法为日后木剪力墙抗侧性能的深入研究提供有利的技术措施。

关键词：木框架剪力墙钉节点有限元分析用户自定义单元

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