结构损伤多尺度描述及其均匀化算法

为了解局部细节含细观缺陷结构在劣化初期的力学行为,建立了结构损伤在细、宏观尺度下的分析模型.基于均匀化方法和连续损伤力学框架,提出了一个可实现跨越细、宏观尺度结构损伤演化过程分析的均匀化算法.算例分析说明了所提出的结构损伤多尺度描述及其算法的可行性和必要性.研究结果表明:考虑结构中含细观缺陷部位的细观损伤描述和所建立的结构损伤多尺度算法,可对结构实现跨细、宏观尺度的应力、应变、损伤等力学量的同时获取,从而能够同时获得结构局部的细观损伤状态、演化过程及其对结构宏观应力应变响应与失效的影响.随着局部细观损伤的发展将导致构件整体力学性能的下降,这种考虑由于结构自身固有特点存在易损部位的结构损伤多尺度分析,对于正确认识结构的损伤失效行为是非常必要的.     

应用细观力学与扩展有限元法数值模拟钻柱损伤

钻井过程中,钻柱承受着拉扭等多种交变载荷的作用,其损伤机理一直是力学界深入研究的课题.笔者首先根据细观力学分析的基本原理,采用Abaqus软件的脚本语言Python建立细观尺度下晶粒分布模型,然后采用断裂力学算法——扩展有限元法对含有微裂纹的细观尺度下晶粒模型进行计算,分析裂纹的动态扩展过程以及相应的应力应变分布特征,最后根据细观力学中“均匀化”方法对不同时刻的应力应变进行处理,得到微裂纹扩展对钻杆材料宏观性能的影响.在宏观尺度下处于弹性阶段的钻杆材料,在细观尺度下仍会出现塑性区,且在微裂纹不扩展的情况下,弹性模量是恒定的.文章提出的思路为深入探索钻柱材料断裂机理提供了新的方法.     

颗粒材料修正的微形态连续体模型研究

基于细观力学给出了1个颗粒材料的修正的微形态连续体模型。在该模型中,考虑了颗粒的平动和转动,且对颗粒间的相对运动进行分解,认为颗粒的细观真实运动(包括平动和转动)是由细观平均运动与1个表征相对于平均运动的波动组成。对微曲率进行对称修正,推导得到了与对称应变张量共轭的对称柯西应力张量,与对称微曲率张量共轭的对称偶应力张量,以及与非对称相对应变张量(微曲率张量)共轭的非对称相对应力张量(偶应力张量)。基于运动分解与对称修正,最终得到了1个颗粒材料的1阶微形态宏观本构关系。宏观本构关系包括应力-应变关系,偶应力-微曲率关系,以及相对应力(偶应力)-相对应变(微曲率)关系。宏观本构模量通过表征细观信息的接触刚度、内部长度参数等识别。     

分层多尺度建模-计算方法

提出了一种多尺度建模方法,即通过精确定义材料细观结构及其演化规律来预测多相异质材料的宏观性质。当材料的细观结构十分复杂或者材料处于大变形状态时,使用材料的宏观本构关系来求解力学问题将很难得到准确的结果。而使用此种宏-细观方法,可以不需要定义宏观的材料本构关系,而只需将材料宏观材料点的行为交给细观结构的响应来确定,由此得到更加精确的结果。因此,多尺度方法可直接用于对复杂外载荷路径下的力学问题进行建模。为此,使用上述方法对某型镍基合金进行了分析。     

碾压混凝土拱坝坝体应力的简化计算

碾压混凝土坝受施工条件影响常在混凝土碾压层间出现结合面夹层（缺陷），影响坝体变形及内应力分布。混凝土夹层强度较低，形成结构破坏控制面。为了了解层状体的内应力分布，用位移等效原则把层状体结构转换为横观各向同性体进行位移和应力计算，根据结算的宏观位移场再进一步进行局部夹层应力计算，由此得到精度高，方法简单，工作量大大减少的碾压混凝土（成层）结构的应力简化的计算方法。研究还发现碾压混凝土结构（成层材料）存在边界局部应力集中效应，需另行采取结构改进措施。     

岩石宏细观弹塑性损伤破坏对比研究

为了考虑岩石内细观局部塑性变形,基于应变空间理论导出岩石弹塑性损伤增量本构方程,提出了在计算程序中用破坏单元网格消去法清晰模拟裂纹扩展的方法,解决了有限元模拟裂纹的难题,分别从宏观尺度和细观尺度研究了岩石I型裂纹弹塑性损伤破坏问题。对比分析表明,宏观尺度研究I型裂纹扩展符合断裂力学理论分析;细观尺度研究岩石破坏过程能深入解释细观破坏机理,岩石宏观破坏直接与其内部的细观损伤破坏有关;三维数值模拟破坏过程比二维破坏更为复杂;大理岩偏三点弯曲梁弹塑性损伤破坏数值模拟得到的结果与试验结果较为吻合,验证了新建细观尺度模型模拟岩石破坏问题的合理性。     

岩石宏细观弹塑性损伤破坏对比研究

为了考虑岩石内细观局部塑性变形,基于应变空间理论导出岩石弹塑性损伤增量本构方程,提出了在计算程序中用破坏单元网格消去法清晰模拟裂纹扩展的方法,解决了有限元模拟裂纹的难题,分别从宏观尺度和细观尺度研究了岩石Ⅰ型裂纹弹塑性损伤破坏问题.对比分析表明,宏观尺度研究Ⅰ型裂纹扩展符合断裂力学理论分析;细观尺度研究岩石破坏过程能深入解释细观破坏机理,岩石宏观破坏直接与其内部的细观损伤破坏有关;三维数值模拟破坏过程比二维破坏更为复杂;大理岩偏三点弯曲梁弹塑性损伤破坏数值模拟得到的结果与试验结果较为吻合,验证了新建细观尺度模型模拟岩石破坏问题的合理性.     

面内载荷作用下复合材料对称层合板孔边层间应力分析

本文以“边民层理论”讨论了含有圆孔的对称层合板在面内载荷作用下孔边的层 间应力计算问题。推导了“完整的”边界层方程．得到了解析形式的解答。这些方程 补充和完善了Ｓ．Ｔａｎｇ所得的方程［９］。本文以［９０／０］ｓ，［０／９０］ｓ，［－４５／４５］ｓ 及［４５／－４５］ｓ。四种层合板为例进行了数值计算。最后，对层间应力的某些性质以及 层板铺层顺序对层间应力的影响作了分析和讨论，给出了一些对设计者有益的结论。     

混凝土力学行为的降阶多尺度模拟研究

为了研究混凝土的降阶多尺度方法动态力学特性,模拟随机形状和大小的凸多面体骨料,并考虑了骨料的随机结构和位置,建立了混凝土三维细观仿真模型,通过单轴静态压缩仿真对模型进行了验证.根据细观尺度下混凝土的实际结构,对动态SHPB冲击载荷作用下的混凝土进行仿真模拟,得到了不同入射速度下的实验数据.结果表明,仿真结果与实验结果吻合较好,多尺度方法可以将细观尺度特征和宏观尺度动态力学行为联系在一起,验证了多尺度方法的有效性,在混凝土各相力学性能方面,降阶均匀化方法相比细观尺度模型提高了计算效率.     

冻融循环下混凝土细观结构演化及力学损伤特性研究进展

周期性冻融循环会对季冻区混凝土材料的细观结构产生不可逆损伤,进而劣化其承载能力与耐久性能。混凝土的冻融破坏本质上是内部孔/裂隙等初始缺陷在周期性冻胀力的作用下发生的疲劳损伤累积。因此,开展冻融循环条件下混凝土材料细观结构损伤演化特性的研究对于评估寒区在役混凝土结构的安全性具有重要的意义。围绕冻融循环条件下混凝土细观结构演化及力学损伤特性两个核心内容,针对混凝土细观结构获取与表征技术、混凝土冻融循环室内物理试验与数值模拟方法,以及混凝土力学损伤特性与耐久性评估等方面的研究现状进行了系统的总结与分析。传统的冻融研究主要集中于宏观尺度下混凝土局部损伤演化,从细观尺度入手,研究了冻融循环下混凝土细观结构演化与力学损伤特性,有助于更加深入地了解宏观力学性能与耐久性劣化背后的冻融破坏机制与初始孔/裂隙缺陷扩展-聚并-贯通的发展规律。在此基础上,建立考虑冻融参数的细观结构演化与宏观损伤特性之间的内在联系,实现冻融环境下混凝土材料宏观物理力学特性的准确分析。为寒区工程结构服役期的损伤特性识别、稳定性与耐久性分析提供参考。     

轧制工艺对CSP线热轧汽车用高强钢板组织特征的影响

研究了薄板坯连铸连轧(CSP)工艺生产高强度汽车用大梁板的工艺控制参数与力学性能和显微组织间的关系.根据柔性工艺控制的指导思想,在珠钢电炉CSP流程下实现了生产不同级别高强度钢板的柔性轧制工艺.利用扫描电镜和透射电镜研究了其组织和强度差异产生的原因.研究表明,钢板最终组织为多边形铁素体和少量珠光体组成,平均铁索体晶粒尺寸约为3.7～5.6μm;当降低卷取温度,部分渗碳体已破碎成细小的碳化物粒子分布于铁素体基体上,钢板中有少量贝氏体出现.     

一种双相材料的应变等效非局部本构模型

珠光体钢由众多随机取向的珠光体团构成，每一珠光体团又包含了许多交替叠合的渗碳体片和铁素体片。实验表明，具有较细片层间距的珠光体钢具有较好的综合力学性能，较高的耐磨性的抗接触疲劳性能。基于考虑此类材料中由于两相变形的不协调而存在的相间的相互约束，提出了一种应变等效非局部本构模型，在不改变材料局部参数的前提下，通过引入等效应变较好地描述了作为珠光体材料微结构基本参数的片层间距对其宏观响应特性的影响。对具有不同平均片层间距的热轧PD3和离线全长热处理PD3珠光体钢轨钢的非对称循环塑性进行了分析，得到了与实验相吻合的结果。     

干湿循环下基于Wiener退化的水泥基复合加芯墙板寿命预测

西部大部分地区干旱少雨、昼夜温差明显,保温墙板处于恶劣环境地区就会产生局部应力集中导致出现裂纹从而缩短服役寿命.设计干湿循环加速试验,通过测试力学性能,微观观测内部结构演变,测定相对质量和相对动弹性模量进行雷达分析和数值回归,最后基于Wiener模型预测试样的可靠度,综合分析干湿循环加速作用下水泥基复合加芯墙板的性能退化规律.结果表明:随着干湿循环加速试验的持续进行,强度呈现增大的状态,抗压强度达到42.5 MPa,抗折强度9.5 MPa;微观结构内部反应产生较多的沉淀CaCO₃逐渐从较密实向松散发展;评价参数都从1开始增大又减小,但整体上呈降低趋势,质量损失率相对于动弹模量敏感度较低,关联度较高;经过回归模型分析,评价指标满足多项式函数的变化规律,可靠度分析质量损失、动弹性模量的工作寿命分别为4 500、3 500 d.     

高碳镀锌钢丝组织差异性精细表征研究

实验表征并对比分析了国内外不同厂商钢丝的精细组织.结果表明:国产钢丝在夹杂物尺寸分布、镀锌层厚度、索氏体片层间距、渗碳体形态、位错密度等方面均与进口钢丝存在一定差距,即进口钢丝中当量直径＜5μm的夹杂物所占比例高达90.6%,而国产仅分别为85.4%和88.0%;国产钢丝镀锌层中Zn-Fe合金层更厚,镀层更疏松;国产钢丝的索氏体片层间距更大,分布更分散.渗碳体溶解更加严重,颗粒状、短棒状的渗碳体颗粒数量和分布明显增多;国产钢丝的位错密度是进口钢丝位错密度的10倍.上述在微观组织上的差异导致国产钢丝的性能较差、质量不稳定.     

中江沙溪庙组致密砂岩气藏气水分布及主控因素

为明确中江沙溪庙组深源浅聚型致密砂岩气藏气水分布规律及主控因素，应用岩芯分析、测井、试气、生产、核磁共振和地层水化学分析等资料，对地层水的微观赋存状态、宏观分布规律及主控因素进行了研究。结果表明，中江沙溪庙组地层水矿化度为III$\sim$V类CaCl$_2$型地层水，地层水以束缚水和毛细管水的形式赋存于储层中，宏观上气水分布受断砂配置、局部构造和河道内部非均质性控制。断层既是天然气充注的基础，又是散失的通道，控制着气、水的宏观分布特征；近断层处天然气易散失，以气水同层为主。河道内部非均质性和局部构造共同控制气、水的局部分布特征，其中，河道内部发育的岩性（物性）封堵能阻止天然气向高部位断层处的运移和散失，并使得气水呈“香肠式”分布，构造低部位也可见气层发育。无岩性封堵河道气水呈“上气下水”分布模式，局部构造高部位为气层，构造相对低部位为水层或气水同层。     

加载速率对白云岩力学特性影响的颗粒流数值试验研究

青川县东河口滑坡是2008年汶川地震诱发的一处典型深层岩质滑坡,体积约1500×104m3。地震过后,针对该滑坡的形成机制展开了不少研究,但在考虑组成该滑坡体材料的力学参数时,均尚未考虑到岩体在动荷载条件下的力学特性,导致研究结果与实际有出入。为了获得滑坡岩体在不同加载速率下的力学行为,同时借助于颗粒流程序（Particle Flow Code, PFC）在模拟岩体微细观损伤演化过程上的优势,本研究首先对从滑坡现场取得的白云岩试样开展了室内常规单轴压缩试验,以试验结果作为拟合依据确定了白云岩试样的PFC数值模型以及细观参数,进而开展了白云岩在不同加载速率下的力学特性、宏观破裂形态、裂隙扩展规律等的研究。结果表明：在0.5 m/s和1 m/s的较高速率加载时,白云岩力学性能出现 “伪增强”现象,岩体表现为延性破坏,最终的破坏形态为粉碎状。当加载速率≤0.05 m/s时,岩体表现为脆性破坏,破坏形态较为完整,主要在端部发生局部剪切破坏,裂纹并未在整个岩样内发育,并且,高加载速率下破坏时的裂隙总数明显多于低加载速率下的裂隙总数,在峰值强度后微裂隙的产生速率明显较大。尽管本研究只是对组成该滑坡的其中一类岩体开展了研究,暂无法用于准确解释该滑坡的地震诱发机制,但研究结果预示了在实际地震过程中,由于加载速率时刻在变化,岩体在高、低加载速率交替变化的荷载作用下将变得更加破碎,从而为滑坡的形成创造了先决条件。     

预应力钢纤维高强混凝土特种轨枕的疲劳特性

采用双重和多重复合技术, 在预应力高强混凝土轨枕的基础上分别制备了预应力钢纤维高强混凝土和预应力钢纤维硅灰高强混凝土特种轨枕;在５００ ｋＮ 伺服液压疲劳试验机上测试了三个系列轨枕疲劳荷载时裂缝宽度和高度的变化规律．研究结果表明,由于钢纤维的阻裂效应,显著提高了高强混凝土轨枕的抗疲劳性能;再因硅灰的填充效应、微集料效应和火山灰效应改善了高强混凝土内部的微观结构,尤其是界面结构, 使预应力钢纤维高强混凝土轨枕的抗疲劳性能进一步提高．该轨枕不仅可用于特殊应力下承担复杂荷载,而且可带裂缝工作．     

加载速率对胶接单搭接头剪切强度的影响

讨论了胶层中的粘弹性对单搭接胶接接头拉伸剪切强度和应变的影响,认为胶层一般具有的粘弹性与应力集中程度间有较为密切的关系试验结果表明：在胶接接头经历拉伸剪切试验时,加载速率对接头强度和应变有显著的影响,胶层中的粘弹性也起着重要的作用     

基于微观结构的软土变形计算模型

 基于土体微观结构演化建立其土体沉降计算模型是值得探索的新方法和新途径。研究首先从室内固结试验和三轴固结试验出发,研究不同荷载条件下软土微观结构变化与固结变形特征;并运用图像处理技术,提取微观结构参数,分析微观结构参数与荷载、变形和强度之间的关系,建立基于微观结构的软土沉降计算模型;最后,将这一模型应用于实际工程中,计算结果与监测值对比分析表明：二者具有较好的一致性,验证了该模型的实用价值。     

氢原子渗透对管线钢微裂纹扩展的影响研究

管线钢在发生氢致开裂过程中,氢原子通过吸附、渗透等方式进入金属并聚集在微裂纹和微孔中,并与缺陷产生相互作用,对钢材的力学性能产生极大影响。为研究氢原子渗透对管线钢裂纹开裂行为的影响,采用分子动力学方法,首先建立含缺陷的铁素体型管线钢的铁素体-渗碳体微观片层结构,随后研究在单轴拉伸载荷作用下,处于300 K温度下不同氢原子浓度对铁素体-渗碳体层间裂纹扩展的影响,获取其力学性能曲线,并观察微观结构不同受载阶段的演化特征。结果显示,随着氢原子浓度的增加,铁素体-渗碳体片层结构的峰值应力将随之减小,且氢浓度越高,峰值应力降低幅度越大。氢原子的引入仅仅会改变裂纹扩展的速度,而不会对裂纹扩展方向产生变化。模型进入塑性应变时,大量位错及相变集中在裂纹右侧,从而阻碍右侧裂纹开裂,并且氢原子的引入也会阻碍FCC相和HCP相向BCC相的转变。研究可为深入探索管线钢氢致开裂行为的微观演化机理提供理论参考。