基于离散元的单向复合材料横向强度性能研究文献综述

 2022-11-01 01:11

文献综述(或调研报告):

前言

同金属材料相比,复合材料具有比强度高、比刚度高、抗疲劳性好、热稳定性好等诸多优点,在工业领域尤其是航空领域发挥越来越重要的作用。随着复合材料市场的发展,复合材料的可靠性和安全性越来越多的受到关注。因此,对复合材料的强度理论进行研究分析具有重要意义。

本文主要通过中国知网、万方、维普等数据库,以“离散单元法”、“单向复合材料”、“横向强度性能”等为关键词,将2000年至2016年期间的文章进行了检索,结合指导老师提供的文献,共查询到相关度高的文献23篇,其中,会议论文1篇,学位论文3篇,期刊19篇,包括英文文献5篇。这些文献主要集中在科技期刊上,主要有《Composites Part B: Engineering》、材料学报和力学学报上。从时间上看,2010年(含2010年)发表的文章数量为11篇,由此可见近年来学者们对相关课题的研究呈上升态势。总结检索文献的研究侧重点,结合一些书籍出版物,可以概括为以下几个方面:

  1. 离散单元法的综述(3篇)。主要讲述离散单元法的方法和起源,并概括介绍了其研究进展和工程应用,并同有限元方法进行对比、转化。同时还包括对特殊领域下的方法进行了探讨,以及离散单元的计算程序设计进行介绍。
  2. 离散元方法的工程应用(4篇)。包括岩土工程、地下工程、复合材料强度理论等工程应用方面。
  3. 复合材料强度理论研究(16篇)。包括复合材料细观强度计算、多尺度结构的影响、各种模型建立过程中影响因素的讨论。

离散单元法

概述

离散单元法(Discrete Element Method,or Distint Element Method,DEM)是上世纪70年代发展起来的一种解决非连续介质问题的数值计算方法[1]。是由英国皇家工程院院士、美国工程院院士Peter Cundall博士1971年在伦敦大学帝国学院攻读博士学位时首次提出的,最初用于准静力或动力条件下岩石边坡的运动分析。该模型可以有效的描述岩体等非连续介质及其颗粒散体运动,适用于研究在准静态或动力条件的节理系统或块体集合的力学问题[2]。1979年Peter Cundall和Strack又提出了适用于土力学的离散元法,并推出了基于二维圆盘单元的颗粒元程序PFC2D(Partiele Flow Code In Two Dimensions)和三维圆球程序TRUBAL,形成了较为系统的模型与方法。

基本思想、原理

离散单元法最初的研究对象主要是岩石等非连续介质的力学行为。其基本思想是将岩体看成是由断层、节理、裂隙等结构面切割而成的一个个刚性或者可变行块体。块体和块体之间角、面或者边进行接触,块体可以平移、转动或者变形。节理面可以被压缩、分离或滑动,所有的块体镶嵌排列。当给定块体一个外力或者边界位移约束时,各个块体在外界的干扰下就会产生力和力矩的作用。

DEM的基本假设是:选取的时间步长足够小,使得在一个单独的时间步长内,除了与选定单元直接接触的单元外,来自其他任何单元的扰动都不能传播过来;并且规定在任意时间步长内,速度和加速度恒定。由此可以得出结论:在任意时刻,单元所受到的作用力只取决于该单元本身及与之直接接触的其他单元。

DEM基本原理与有限元方法类似,将整个研究区域划分成许多微小单元,再进行分析求解。DEM的独特之处是划分的基本单元不受连续面控制,在之后的运动过程中,单元节点可以分离。即一个单元与其邻近单元既可以接触也可以分开。单元之间相互作用力可以根据力和位移关系求出,单个单元的运动则完全根据牛顿第二定律确定。

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