《动态断裂有限元方法及工程应用研究》

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项目成果属于力学学科领域。裂纹的失稳扩展是最危险的结构失效模式,如油气输送管道、核反应堆管道和飞行器与船体外壳断裂等;控制和引导裂纹扩展又是工程中最有效的结构分离模式,如飞行员救生系统、材料切割加工、页岩水力压裂等。建立动态断裂力学理论与计算方法,具有重要的科学意义和工程应用前景。在国家自然科学基金的支持下,该项目的主要创新性成果是:提出了基于连续体壳的断裂力学理论,发展了扩展有限元方法和程序,实现了在曲面壳体上任意形状裂纹扩展的模拟分析。2012年,出版了国内首部扩展有限元专著:《扩展有限单元法》,清华大学出版社。2014年3月,在国际顶级学术出版公司Elsevier出版了英文专著:《Extended Finite Element Method》,为国际上该领域的第二本专著。美国科学院和工程院院士Belytschko给予高度评价:“提出了基于连续体壳的壳体断裂力学理论与扩展有限元方法,对扩展有限元的发展做出了重要贡献”。发展了集管壁开裂大变形、裂纹快速扩展、气体减压释放、材料弹塑性等非线性因素于一体的有限元程序,为西气东输管道的可靠性评估提供了技术手段。2004年,出版专著《工程断裂与损伤》,机械工业出版社。爆炸动力学著名学者,加州理工Shepherd教授评价:“圆柱压力管道的断裂模拟大多针对静载或疲劳载荷,而庄等人实现了爆破管道中流体/结构/断裂的复杂相互作用模拟”;断裂力学著名学者、帝国理工Leevers教授评价:“即使是小尺度的快速裂纹实验成本也是昂贵的,因此急需基于裂纹扩展的模拟实验工具。该领域至少有两个比较完善的工作,他们都是基于复杂的大型计算程序,其中之一是庄等人耦合壳体有限元与流体有限体积发展的快速裂纹模拟方法。”采用内聚力理论与扩展有限元结合的方法,揭示了双材料切割和航空有机玻璃在动载荷下的裂纹扩展机理,数值模拟结果与实验定量吻合。实现了裂纹扩展路径的预测与控制,建立了飞行器乘员安全救生系统的仿真方法和程序,成功应用于串联式双座飞机飞行员弹射救生的设计分析。已成功救护了8名飞行人员。该项目建立了断裂动力学理论,发展了有限元和扩展有限元方法和计算程序,为西气东输管线可靠性评估、飞行器乘员安全救生等国家重大工程提供了力学理论与分析技术。在学术期刊发表论文39篇,出版英文专著1部、中文专著4部,被他引总次数2000余次,拥有2项计算机软件著作权。培养了10名博士研究生,5名硕士研究生。

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