《复杂结构中裂纹演变过程的几何构型和算法》

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该项目属于工程技术领域。基于断裂力学的结构完整性和生命力设计评估是工程安全的研究前沿。解析方法仅适用于简单结构,而传统数值方法存在过程繁琐、效率低下和收敛性弱等局限,难以实现对复杂结构中裂纹演变过程的有效和简便预判,急需理论和方法的重大突破。在国家和湖北省自科基金、教育部留归基金等的资助下,该项目围绕复杂结构中裂尖断裂参数的提取、裂纹前沿形貌的确定和裂纹扩展行为的预测等关键科学问题,开展了10余年深入系统地研究。主要科学发现如下:

(1)提出了哑节点思想并揭示了其工作机理,借助不参与整体刚度矩阵运算的哑节点和扩展路径上的弹簧单元,突破了现有数值方法的局限,一步实现裂尖信息提取和几何不连续的引入,为断裂参数计算和裂纹扩展模拟与有限元方法的有机结合提供了简便手段。

(2)揭示了裂尖形貌与断裂参数之间的本构关系,提出了哑节点虚拟裂纹闭合法和双矢量裂纹前沿跟踪技术,实现了裂尖断裂参数计算精度与效率的有效平衡和任意形状三维裂纹前沿形貌的预测,为复杂结构中疲劳和动态裂纹扩展、裂尖形貌预报提供了有效方法。

(3)揭示了结构非线性断裂时的裂尖钝化规律,提出了离散内聚力模型,解决了传统连续内聚力模型计算精度低、收敛性弱和可靠性差的问题,实现了结构非线性断裂数值模拟和多尺度强度分析,为复杂结构中非线性裂纹演变过程的评估提供了可靠工具。

该项目的8篇代表作SCI他引24次,总他引408次。包括中国大坝工程学会副秘书长张国新教授、日本广岛大学教授Satoyuki Tanaka在内的来自中国、日本、英国、加拿大、意大利、新加坡等国内外高校或研究机构的数百位专家学者,都在公开出版物中给予了正面评价和引用。米兰理工大学的Marco Domaneschi称哑节点思想是迷人的(fascinating strategy)处理断裂行为的策略。意大利航空航天研究中心的Pietropaoli Elisa认为哑节点虚拟裂纹闭合法是追踪裂纹形貌的有效手段。华东理工大学的涂善东教授采用离散内聚力模型分析了典型钎焊结构的裂纹扩展并与试验对比,取得了较好效果。

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