课题基金 / 基金详情

含界面相的颗粒增强复合材料裂纹损伤分析的多相Voronoi单元有限元方法研究

批准号:
12062007
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
37.0 万元
负责人:
张蕊
依托单位:
学科分类:
计算固体力学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
张蕊

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
研究含界面相颗粒增强复合材料(PRCS)的裂纹损伤行为是细观力学的前沿研究。由于采用传统有限元建模,界面相薄层导致纤维和基体的单元数量巨大,无法计算含大量夹杂的复合材料,因此构建含界面相的裂纹损伤模型并高效模拟计算真实材料至关重要。本项目拟依据界面裂纹向基体转化贯穿的机理,建立同时包含颗粒相、界面相、基体相和裂纹的细观模型,推导新泛函,提出含有界面相并能够刻划裂纹萌生扩展的新型多相Voronoi单元有限元法(VCFEM)。构建裂纹由一个单元向另一个单元扩展的网格重划分方法,分析PRCS界面相及细观裂纹的空间分布对材料局部损伤破坏和宏观特性的影响,并利用新方法探讨含大量夹杂的PRCS在复杂载荷下的损伤破坏机理。研究结果将为PRCS的优化设计提供指导。
英文摘要
Research on the behavior of cracked particles-reinforced composites (PRCS) with interphase is important in mesomechanics. Owing to the thin interphase of the traditional finite element model, the number of fiber and matrix elements is large, which makes it challenging to calculate composite materials with a large number of inclusions. Therefore, it is important to construct a crack damage model with interphase to simulate the behavior of materials. Based on the mechanism of the transformation from interfacial cracks propagated into the matrix, this project proposes a mesoscopic model containing particle phases, interface phases, matrix phases, and cracks, derives functionals, and develops a multiphase Voronoi element finite element method (VCFEM) featuring the interphase to describe crack initiation and propagation. A mesh repartition method for crack propagation from one element to another is also established. The effects of the interphase of PRCS, and the spatial distribution of mesoscopic cracks on local damage to the material and its macroscopic characteristics are analyzed. The proposed method is used to explore the mechanisms of damage to and failure of PRCS featuring a large number of inclusions under complex loads. The results of this study can help guide the optimal design of PRCS.
研究含界面相颗粒增强复合材料(PRCS)的断裂行为是分析其细观力学的重要基础。由于传统有限元模型界面相薄,导致纤维和基体的单元数量巨大,无法计算含大量夹杂的复合材料,因此构建含界面相的裂纹损伤模型并高效模拟计算真实材料至关重要。本项目完成了以下几方面的内容研究:(1)建立能反映涂层颗粒增强复合材料界面脱粘和基体裂纹的新单元模型,构造含裂纹颗粒增强复合材料的泛函。从而推导到出能够模拟裂纹萌生、扩展,进一步扩展到基体的新杂交单元。构建裂纹由一个单元向另一个单元扩展的网格重画分方法,分析PRCS界面相及细观裂纹的空间分布对材料局部损伤破坏和宏观特性的影响,并利用新方法探讨PRCS在复杂载荷下的损伤破坏机理。建立能反映颗粒增强复合材料颗粒断裂的新单元模型,同时构造夹杂含裂纹的颗粒增强复合材料泛函,推导新夹杂单元对夹杂内裂纹的萌生、单元内裂纹的扩展及裂纹贯穿单元的损伤演化过程进行模拟。(2)针对单元内裂纹扩展构建了网格重划分算法,该算法通过断裂准则判断的裂纹扩展角度以建立新节点来替代原裂纹尖端节点,完成了单元内裂纹从界面到基体、从夹杂到基体及进入相邻单元的自动扩展,实现了多规模颗粒增强复合材料的裂纹扩展模拟,分析了材料裂纹扩展机制。(3)基于所提出新VCFEM方法的优越性建立微观-宏观尺度网格并存的跨尺度模型,避免均匀化理论的局限性,并通过自适应网格重划分跟踪裂纹萌生与扩展,可以随复合材料随时调整材料相参数并体现其特征信息,跨尺度模型对微观尺度分析采用Voronoi单元从而适用并行计算,该方法具有极高的计算效率。(4)建立了三维杂交应力有限元,并基于八叉树网格对颗粒增强复合材料进行了热应力计算。通过算例将以上新方法与商用有限元软件进行了结果对比,证明了提出方法的有效性。以上研究共发表SCI论文8篇。为PRCS的优化设计提供指导。
透明件断裂行为的数值-实验混合方法研究
  • 批准号:
    11402103
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    26.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    张蕊
  • 依托单位:
国内基金
海外基金