多維虛內(nèi)鍵模型理論與材料破壞模擬

內(nèi)容概要

　　多維虛內(nèi)鍵模型(VMIB)是在虛內(nèi)鍵理論(VIB)基礎(chǔ)上提出的，種多尺度力學(xué)模型。VIB理淪認(rèn)為固體材料在微觀上是由隨機(jī)分市的質(zhì)量微粒組成，微粒之間由一虛內(nèi)鍵聯(lián)結(jié)。并賦予特定的聯(lián)結(jié)法則。材料的宏觀本構(gòu)方程則由微粒之間的聯(lián)結(jié)法則直接導(dǎo)出。由于兼具了連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法和離散模型方法的特點(diǎn)，VIB理論在模擬材料斷裂行為方面有著很大的優(yōu)越性。與VIB不同的是，VMIB模型在原VIB微粒之間引入了切向效應(yīng)，用以約束微粒點(diǎn)對(duì)之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。材料的宏觀本構(gòu)方程則由虛內(nèi)鍵剛度系數(shù)導(dǎo)出。由于考慮了微粒點(diǎn)對(duì)之間的切向效應(yīng)，VMIB模型能夠再現(xiàn)材料不同泊松比，并導(dǎo)出了宏觀材料常數(shù)與虛內(nèi)鍵剛度系數(shù)之間對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過虛內(nèi)鍵剛度演化方程或分布密度演化方程直接將材料的斷裂準(zhǔn)則嵌入到了材料宏觀本構(gòu)方程中。材料宏觀力學(xué)性質(zhì)決定于微觀結(jié)構(gòu)力學(xué)屬性。通過建立不同的虛內(nèi)鍵演化方程使VMIB能夠在宏觀上再現(xiàn)不同材料的宏觀力學(xué)響應(yīng)，并將VMIB模型應(yīng)用于不同工程材料的斷裂及破壞行為的數(shù)值模擬?！　　抖嗑S虛內(nèi)鍵模型理論與材料破壞模擬》的讀者對(duì)象為從事材料多尺度數(shù)值計(jì)算模型及材科破壞過程數(shù)值模擬研究的科研人員。

作者簡(jiǎn)介

　　張振南，1974年5月生，黑龍江省木蘭縣人。1997年畢業(yè)于黑龍江科技學(xué)院士木工程系，獲學(xué)士學(xué)位；2002年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)，獲碩士學(xué)位；2005年7月畢業(yè)于上海交通大學(xué)固體力學(xué)專業(yè)，獲博士學(xué)位。2005年7月至2007年6月于上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所進(jìn)行博士后研究工作，主要從事脆性材料多尺度力學(xué)模型及材料破壞數(shù)值模擬研究。2007年7月至今工作于上海大學(xué)土木工程系。主持國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目3項(xiàng)，在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文20余篇，其中被SCI收錄8篇，EI收錄14篇。現(xiàn)任上海大學(xué)副研究員。

書籍目錄

Preface序前言第1章 緒論1.1 材料破壞分析方法概述1.2 連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法1.2.1 連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)方法1.2.2 斷裂力學(xué)方法1.2.3 黏結(jié)面方法1.2.4 嵌入不連續(xù)面方法1.3 離散模型方法1.3.1 格構(gòu)式模型1.3.2 離散元法1.4 三維組集式本構(gòu)模型1.5 三維鏈網(wǎng)模型1.6 擬連續(xù)介質(zhì)方法1.7 虛內(nèi)鍵模型1.8 小結(jié)第2章 虛內(nèi)鍵理論2.1 引言2.2 理論提出背景2.3 虛內(nèi)鍵理論基本方法2.3.1 一股理論2.3.2 小變形情況2.4 虛內(nèi)鍵理論的應(yīng)用2.5 小結(jié)第3章 多維虛內(nèi)鍵模型3.1 引言3.2 模型理論基礎(chǔ)3.2.1 超彈理論3.2.2 柯西-玻恩規(guī)則3.3 多維虛內(nèi)鍵模型的微觀組構(gòu)3.4 多維虛內(nèi)鍵模型本構(gòu)關(guān)系3.4.1 離散結(jié)構(gòu)與連續(xù)介質(zhì)微元的關(guān)系3.4.2 質(zhì)量微粒自由度的確定3.4.3 微粒點(diǎn)對(duì)應(yīng)變能3.4.4 應(yīng)變能表達(dá)式張量性證明3.4.5 四階彈性張量的推導(dǎo)3.5 虛內(nèi)鍵剛度與宏觀材料常數(shù)的關(guān)系3.6 對(duì)多維虛內(nèi)鍵模型的評(píng)論3.7 小結(jié)第4章 有明顯線彈性變形材料的拉伸破壞4.1 引言4.2 拉伸變形的三階段特征4.3 拉伸破壞的微觀機(jī)制4.3.1 虛內(nèi)鍵密度演化規(guī)律4.3.2 非線性本構(gòu)方程4.3.3 本構(gòu)方程參數(shù)的確定4.4 拉伸裂紋的數(shù)值模擬4.4.1 裂紋生成及擴(kuò)展機(jī)制4.4.2 二維裂紋模擬方案的選取4.4.3 問題的描述及計(jì)算4.4.4 模擬結(jié)果討論4.4.5 兩類平面問題模擬結(jié)果的對(duì)比4.5 小結(jié)第5章 無明顯線彈性變形材料的拉伸破壞5.1 引言5.2 虛內(nèi)鍵密度演化模式5.3 本構(gòu)模型5.3.1 本構(gòu)關(guān)系5.3.2 模型參數(shù)對(duì)全過程曲線的影響5.4 試驗(yàn)驗(yàn)證5.5 小結(jié)第6章 材料單軸受壓破壞模型6.1 引言6.2 虛內(nèi)鍵密度演化模式6.3 模型參數(shù)對(duì)全過程曲線的影響6.4 模型的試驗(yàn)驗(yàn)證6.4.1 試驗(yàn)一6.4.2 試驗(yàn)二6.5 模型的另一種應(yīng)用6.5.1 模擬算例6.5.2 算例分析6.6 小結(jié)第7章 圍壓條件下脆性材料的破壞7.1 引言7.2 圍壓條件下虛內(nèi)鍵演化機(jī)制7.2.1 虛內(nèi)鍵演化方程7.2.2 模型參數(shù)的作用7.3 算例分析7.4 小結(jié)第8章 平面直剪裂紋的數(shù)值模擬8.1 引言8.2 模擬方法8.2.1 裂尖微元應(yīng)力狀態(tài)8.2.2 虛內(nèi)鍵演化方程8.3 模擬算例8.4 小結(jié)第9章 多維虛內(nèi)鍵在非均質(zhì)材料破壞中的應(yīng)用9.1 引言9.2 宏觀非均質(zhì)材料數(shù)值模型9.2.1 非均質(zhì)特性的引入方法9.2.2 算例分析9.3 微觀非均質(zhì)材料數(shù)值模型9.3.1 虛內(nèi)鍵剛度控制方法9.3.2 應(yīng)變強(qiáng)度控制方法9.4 非均質(zhì)材料剪切裂紋的數(shù)值模擬9.4.1 虛內(nèi)鍵演化方程9.4.2 模擬算例9.4.3 模擬結(jié)果與討論9.5 小結(jié)第10章 多維虛內(nèi)鍵在巖體數(shù)值模擬中的應(yīng)用10.1 引言10.2 巖體的張量描述10.3 損傷張量與虛內(nèi)鍵分布密度關(guān)系10.3.1 不考慮裂紋閉合效應(yīng)10.3.2 考慮裂紋閉合效應(yīng)10.4 算例分析10.5 小結(jié)第11章 隨機(jī)分布短纖維復(fù)合材料破壞分析11.1 引言11.2 基體材料建模11.3 隨機(jī)分布纖維建模11.3.1 纖維分布函數(shù)11.3.2 分布函數(shù)映射關(guān)系11.3.3 纖維表象剛度11.3.4 映射關(guān)系11.4 復(fù)合材料本構(gòu)關(guān)系11.4.1 纖維貢獻(xiàn)11.4.2 復(fù)合材料總體彈性張量11.5 拉伸失效機(jī)制11.6 纖維增強(qiáng)效應(yīng)分析11.7模擬結(jié)果討論11.8 小結(jié)第12章 多維虛內(nèi)鍵的另一種形式12.1 引言12.2 模型本構(gòu)關(guān)系12.2.1 變剛度系數(shù)本構(gòu)關(guān)系的一般形式12.2.2 線彈性材料的虛內(nèi)鍵剛度系數(shù)與材料常數(shù)關(guān)系12.2.3 非線彈性材料本構(gòu)關(guān)系12.2.4 模型參數(shù)對(duì)全過程曲線的影響12.3 模型的數(shù)值驗(yàn)證12.4 算例分析12.4.1 問題的描述12.4.2 模擬結(jié)果分析與討論12.5 小結(jié)第13章 多維虛內(nèi)鍵的有限元實(shí)現(xiàn)13.1 引言13.2 多維虛內(nèi)鍵有限元實(shí)現(xiàn)的基本思想13.3 數(shù)值模擬13.3.1 數(shù)值模擬方案的選取13.3.2 迭代步驟13.3.3 單剛矩陣的數(shù)值積分13.4 小結(jié)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第1章 緒論　　1.1 材料破壞分析方法概述　　固體材料在不同空間尺度內(nèi)表現(xiàn)形式不同，宏觀上表現(xiàn)為連續(xù)而微觀上則表現(xiàn)為離散。材料宏觀力學(xué)屬性決定于材料微觀結(jié)構(gòu)。當(dāng)載荷超過一定值時(shí)，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)將發(fā)生演化，直至材料破壞。為了對(duì)材料破壞行為進(jìn)行分析和模擬，人們提出了諸多力學(xué)模型和計(jì)算方法。這些模型和方法大體上可分為三大類：第一類是以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論為基礎(chǔ)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法；第二類則是將材料視為離散介質(zhì)的離散模型方法；第三類則是連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法和離散介質(zhì)模型相結(jié)合的方法?！　?.2 連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法　　連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論是建立在場(chǎng)連續(xù)假設(shè)基礎(chǔ)上的一個(gè)理論體系。由于不考慮材料連續(xù)層次以下的微觀結(jié)構(gòu)，連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論在材料建模方面具有很大的優(yōu)越性。在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論基礎(chǔ)上已發(fā)展了很多用來分析材料破壞行為的力學(xué)理論和力學(xué)模型。　　1.2.1 連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)方法　　一般材料內(nèi)部總是分布著一些微觀缺陷（例如位錯(cuò)、微裂紋、微孔洞等），使得本來“連續(xù)”的材料變?yōu)榉沁B續(xù)，這些微觀缺陷極大地影響著材料的宏觀力學(xué)性能。為了描述這些微觀缺陷對(duì)材料力學(xué)性能的影響，Kachanov首先提出了材料連續(xù)度的概念，并將材料損傷引入宏觀本構(gòu)方程以反映這些微觀缺陷對(duì)材料宏觀力學(xué)性能的影響，從此開創(chuàng)了損傷力學(xué)。后來有更多的學(xué)者發(fā)展和完善了損傷力學(xué)，如文獻(xiàn)等的研究工作都對(duì)損傷力學(xué)的發(fā)展有著重要的影響。

編輯推薦

　　《多維虛內(nèi)鍵模型理論與材料破壞模擬》主要匯集了作者在攻讀博士學(xué)位期間與葛院士及后來在博士后期間所做的研究成果?！抖嗑S虛內(nèi)鍵模型理論與材料破壞模擬》第一章主要介紹了目前有關(guān)材料破壞分析的一些方法和研究進(jìn)展；第二章介紹了虛內(nèi)鍵理論；第三章詳細(xì)介紹了多維虛內(nèi)鍵模型的建立和推導(dǎo)過程；第四及以后的章節(jié)主要介紹了多維虛內(nèi)鍵模型在分析材料破壞方面的應(yīng)用?！抖嗑S虛內(nèi)鍵模型理論與材料破壞模擬》可供各大專院校作為教材使用，也可供從事相關(guān)工作的人員作為參考用書使用。

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