基于相场法的脆性材料裂纹扩展控制及其性能优化

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随着材料工程技术的飞速发展,大量新型材料、结构、工艺技术被广泛地应用到实际工程中。虽然新型技术的使用很大程度上满足了不断变化的材料结构设计需求,但新型技术带来的不确定性因素也间接导致了实际应用中事故具有更高的突发性,其中以因裂纹扩展穿过材料结构关键区域引发的断裂失效问题尤为突出。因而,对裂纹的扩展规律进行相关研究对有效避免材料结构断裂失效和提高结构整体力学性能具有重大工程意义。然而,利用传统的离散数值计算方法对裂纹扩展进行分析时,往往需要提前预制裂纹和选择断裂准则,同时还需对复杂裂纹面拓扑路径进行跟踪和描述,这极大地限制了其在二维多裂纹交互作用以及三维复杂结构裂纹分析中的应用。近年来,基于损伤力学发展而来的断裂相场方法完美地克服了以上不足,能够准确地模拟裂纹萌生、扩展、交叉到断裂失效整个过程。因此,本文将基于断裂相场方法,对脆性材料裂纹扩展行为进行研究分析,具体的研究内容如下:(1)基于断裂损伤力学理论,构建了断裂相场模型,并推导了断裂相场控制方程及其对应的有限元离散格式。随后,将断裂相场多场耦合问题解耦为位移场和相场两个子问题,采用交错求解算法进行数值求解。为了模拟材料结构裂纹扩展行为,通过商业软件ABAQUS提供的用户子程序接口(UMAT和UEL),建立了单边缺口板断裂相场模型,并对模型网格单元尺寸、长度尺寸参数、位移增量迭代步等参数进行了收敛性验证,结果表明为了得到材料结构真实的裂纹扩展行为,应尽可能地采用较小的网格单元尺寸、长度尺寸参数、和位移增量迭代步。此外,通过将其数值模拟结果与文献及实验数据进行对比,验证了本文建立的断裂相场模型的准确性。(2)基于上述脆性断裂相场模型,探究不同初始裂纹参数、孔洞结构参数及材料组织成分等因素,对材料结构初始裂纹扩展行为的影响。研究发现,材料结构中引入的孔洞及夹杂物,对裂纹扩展路径、材料结构整体承载能力及断裂韧性均有较大的影响。此外,本文还基于ABAQUS内部脚本文件及子程序接口联合MATLAB参数化建模,并结合多目标优化算法,将裂纹扩展控制问题转化为材料结构优化问题。通过合理地布局孔洞位置,从而有效地控制裂纹的扩展行为,以提高含损伤材料结构的整体承载能力(抗断裂能力)和位移应变能力。(3)基于上述断裂相场裂纹扩展控制闭环优化框架,提出了一种基于变分自编码器生成模型的裂纹扩展路径预测方法,有效地解决了闭环优化过程中断裂相场数值仿真计算成本高、耗时长等问题。该方法首先通过变分自编码器编码结构部分对断裂相场数值仿真云图进行编码,得到表征裂纹扩展路径云图的低维隐向量。然后,通过代理模型构建其与设计参数之间的映射关系。最后,通过变分自编码器解码器部分将低维隐向量还原为对应的断裂相场数值仿真云图,从而有效地构建了设计参数与断裂相场数值仿真云图之间的映射关系。本文提出的基于变分自编码器生成模型的裂纹扩展路径预测方法,大大降低了断裂相场数值仿真计算成本,能快速地预测出裂纹扩展对相关材料结构的破坏情况。
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