单轴受拉状态下混凝土非局部化细观损伤模型

以非局部化理论和随机损伤力学为基础,从细观机制出发考虑断裂和塑性滑移的影响,提出了非局部细观损伤模型.利用残余应力系数反映塑性滑移对损伤细观机制的影响;利用非局部化比例解决层数敏感性问题.结合细观和宏观两个尺度进行损伤本构模型建模,描述混凝土内部的应变发展、损伤演化以及沿受力方向任一高度处的应力-应变关系.基于非局部化比例分析得出的应力-应变关系与实验结果符合较好.     

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.     

基于宏观实验数据的堆石料细观本构模型参数反演

如何精确估计岩石材料细观本构模型参数是制约离散元方法发展与应用的瓶颈之一。提出基于响应面法的堆石料细观本构模型参数反演方法。建立一种用于岩石细观本构模型参数反演的响应面函数形式,在宏观实验数据与细观模型参数之间建立桥梁,实现岩石试样变形与模型参数之间关系的高精度非线性映射。基于堆石料试样的宏观实验数据和响应面函数模型,将模型参数反演问题转化为优化问题处理,反演确定岩石材料细观本构模型参数。结果表明:堆石料细观本构模型参数,包括法向接触刚度、切向接触刚度及摩擦系数,随围压增加而稍有增加;材料的法向接触刚度与切向接触刚度近似相等。反演分析预测的偏应力-轴向应变曲线与试验曲线吻合较好,实验验证了所提出反演方法的有效性。     

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。     

混凝土宏观力学参数估算研究现状及发展趋势

综述了混凝土类材料宏观力学参数估算中细观夹杂理论的解析方法和细观数值试验的数值方法的研究现状,重点介绍了界面连接完好的混凝土类材料有效模量估算的一些分析方法,并对细观夹杂理论和细观数值试验方法的发展趋势进行了展望,认为今后的研究热点将是针对混凝土中界面连接不完好和基体材料非线性这两个根本特征下的有效强度估算以及体现混凝土细观特征的宏观本构关系的建立.     

颗粒介质物质点法与离散元法的多尺度建模

颗粒介质是由大量离散颗粒构成的无序材料,在工业生产与自然界中广泛存在.在外界作用下,颗粒材料可以类似固体保持稳定,也可类似流体发生流动,且类固体和类流体之间可以自然转化,目前人们难以采用统一的连续本构进行描述.本文提出了物质点法(Material Point Method,MPM)与离散元法(Discrete Element Method,DEM)的多尺度建模框架,亦即宏观尺度采用适用于大变形问题的MPM,颗粒尺度则采用DEM描述每个颗粒运动,每个物质点的力学性质由该点处若干颗粒构成的代表性体积元的力学性质计算得到,宏观尺度MPM所得变形梯度作为边界条件施加到体积元中,基于DEM计算得到域内的平均柯西应力,反馈到MPM计算,以此实现跨尺度研究.以沙堆倒塌作为算例,验证了MPM/DEM多尺度建模在描述颗粒复杂力学行为的有效性,并对倒塌过程中,宏观应变等信息与内在接触力链网络的关联进行了讨论.MPM/DEM多尺度建模没有引入唯象本构,且适用于大变形问题,为颗粒介质的多力学状态研究提供了新的思路.     

侧压对材料有效压缩模量的影响

损伤力学是固体力学的一个分支,是材料变形与破坏理论的重要组成部分。损伤力学的研究方法有宏观和细观之分,宏观方法更便于工程实际的应用,而细观方法有着更为清晰的物理背景。复杂应力状态下裂纹面间的正应力和剪应力的分析是损伤力学中经常涉及的问题,可以用宏观损伤理论分析侧压条件下裂纹面的闭合应力,从而得到裂纹面间的正应力,然后在弹性力学理论的基础上,利用细观力学分析中的某种平均化方法,推导出脆性和准脆性材料沿裂纹面法线方向的压缩应力-应变本构关系,同时可得到侧压条件下材料的有效压缩模量。计算结果表明,侧压和裂纹面的闭合应力对材料的压缩杨氏模量有一定的影响。由该理论得到的裂纹面间的正应力可知裂纹面间的剪应力,由此可分析考虑摩擦效应的有效剪切模量。     

混凝土细观数值试验的随机损伤本构模型

混凝土在细观尺度下是由粗骨料、砂浆和界面过渡区(ITZ)组成的三相复合材料。目前考虑细观尺度上这三相之间力学性能的不同,已经进行了大量的细观数值试验研究。然而混凝土为典型的多尺度材料,在细观尺度下混凝土各相自身也是非均质的。鉴于此,提出了细观尺度下代表性体积单元(RVE)的随机损伤本构模型,并编制了相应的有限元程序。利用编制的程序,进行了随机骨料模型单轴拉伸和压缩数值试验;并进行了双骨料试件单轴拉伸数值试验。结果表明,该模型虽然结构简单,但能较好地反映混凝土的主要宏观力学行为和细观损伤的产生和演化发展。最后,通过参数敏感性分析,阐明了不同模型参数对混凝土宏观力学特性的影响。该模型可为混凝土细观数值试验研究提供支撑。     

活性材料冲击压缩及反应行为模拟方法研究进展

近年来，以含能结构材料、含能非晶合金、含能高熵合金等为代表的活性材料受到广泛关注.由于兼具结构强度特性和冲击反应释能特性，活性材料在高效毁伤和防护领域有十分重要的应用前景.其中，活性材料的冲击压缩响应行为及反应释能特性是该类材料设计和应用中关注的重点，研究人员在考虑其冲击反应行为的数值模拟方法上开展了大量的研究工作.本文基于活性材料宏观反应行为受微/细观结构特性控制的特点，从不同时空尺度对活性材料的冲击压缩及反应行为数值模拟方法的研究现状进行了综述，系统梳理了分子动力学模拟、冲击压缩特性细观模拟、冲击反应行为跨尺度模拟、冲击压缩及反应行为宏观尺度模拟方法等4个方面的研究进展.总结认为，活性材料的冲击压缩动力学响应特性数值模拟及冲击反应特性宏-细观尺度关联机制的研究已取得了较大进展，考虑反应弛豫时间和非自持反应特性的点火模型在宏观尺度数值模拟中得到发展与应用.但是，目前数值模拟中关于反应诱发后活性材料动力学行为的描述主要基于火/炸药等典型含能材料的本构模型，仅能实现对活性材料冲击反应行为的表观呈现，而对活性毁伤元作用过程关键参数的精确预测仍存在一定差距.因此，建立准确描述活性材料撞击点火...     

基于巴西劈裂试验的混凝土细观本构模型参数估计方法

通过力学性能试验确定细观参数取值是离散单元法进一步应用的关键问题。选取5个控制材料宏观响应的细观本构模型参数,建立混凝土材料巴西劈裂试件二维颗粒流程序(particle flow code in two-dimensions,PFC~(2D))计算模型,提出了一种细观参数的估计方法。假定试样的宏观响应与细观参数间为近似线性关系。根据已有研究成果,给出一组细观参数的初始值,利用线性回归得到细观参数对宏观响应的回归系数,建立细观参数与宏观响应的映射关系。定义目标函数为宏观响应的计算值与试验观测值的均方差最小,求解一个约束优化问题,得到细观参数的估计值。以C35混凝土巴西劈裂试验为例进行了模拟,结果表明根据估计的细观参数模拟得到的荷载-位移曲线与实际试验曲线吻合较好,验证了方法的有效性。     

镁合金弹塑性多尺度模型单向拉伸数值分析

针对含孔洞镁合金材料的宏观力学性能、变形破坏机理,采用多尺度方法建立了准确的镁合金体胞有限元模型,并利用所发展的多尺度本构模型,结合有限元方法获得了在宏观拉伸载荷下材料的局部和宏观特性.多尺度方法分析细观单元体的变形结果表明,随着宏观载荷的增加,宏观上显示出的差异非常微小,但是在细观单元体的变形过程中明显观察到,随着载荷步的增加,含长方体形孔洞的塑性变形能力逐渐递减,且应力集中现象比含圆柱形孔洞的细观模型明显.     

沿板平面材料组分变异功能梯度板件分析

发展了一种细观分析和宏观计算相结合的计算方法——细观元法．细观元法是使功能梯度构件宏观响应和材料组分的几何、物理、构造参数直接发生关联的分析方法，实现材料细观结构到构件宏观响应的直接过度分析．细观元方法相比一般有限元法不增加结点自由度，却使得功能梯度板件内任意方向细观结构变化得到反映．目前功能梯度板件分析只能处理材料特性沿厚度方向梯度变化，而运用此方法则直接从制备时给定的材料组分分布出发计算构件宏观响应，并给出了沿板平面方向材料特性梯度变化功能梯度板件的力学量三维分布形态．     

基于摄动方法的多尺度损伤表示理论

结构和材料的损伤破坏包含多个尺度, 单独一个尺度的分析很难正确地反映结构和材料的非线性行为. 我们从摄动均匀化理论出发, 基于不可逆热力学理论, 建立了联系细观尺度与宏观尺度的多尺度能量积分, 再结合经典连续损伤理论, 建立了基于细观微结构计算宏观连续损伤变量的一般方法体系, 即为多尺度损伤表示理论. 该理论将多尺度分析方法与传统连续损伤力学紧密结合在一起, 在此基础上建立的数值算法既能够从细观和宏观两个尺度上反映整体结构的损伤和破坏过程, 同时数值模拟的计算量也能够控制在合理的范围内. 最后的数值算例表明了理论的正确性和有效性.     

基于数字图像处理的沥青混合料细观力学分析(英文)

沥青混合料是一种典型的非均质材料,主要由集料,胶浆和孔隙组成。内部细观结构在很大程度上控制了它们的宏观力学行为。数字图像处理技术的发展,为材料细观结构的精确量测和数字表述提供了有效手段,被应用于沥青混合料细观结构的有限元建模。基于数字图像处理技术对间接拉伸试验（IDT）进行有限元模拟,数值模拟的结果与实际试验的结果吻合性很好,说明了数字图像处理技术是一种非常有效的有限元建模手段。     

考虑内部缺陷的FRP拉索力学行为仿真分析

通过扫描电子显微镜观测了纤维增强树脂基复合材料(FRP)拉索的内部原始缺陷形态与结构,基于Python-ABAQUS建立了含孔洞缺陷的微观模型来分析拉索的多尺度力学行为.结果 表明:孔隙率与孔洞长径比是影响纤维丝等效弹性模量的主要因素,在相同孔隙率和孔洞体积下,等效弹性模量随孔洞横截面积减小而增大.由于孔洞分布位置的随机性,数值模拟得到的纤维丝等效弹性模量比Mori-Tanaka理论计算值偏高.当纤维丝内部的孔洞的长径比小于1时,孔洞分布位置对等效弹性模量的影响最大.基于纤维束的随机破坏本构关系,采用用户自定义子程序建立了宏观尺度拉索和单筋的多尺度有限元模型,探究了微观和细观尺度的缺陷对宏观性能的影响.最后,采用不同Weibull参数与含内部缺陷的纤维束力学参数,发现FRP单筋和拉索模型的仿真结果与试验结果比较相符.     

镁合金弹塑性多尺度模型单向拉仲数值分析

针对含孔洞镁合金材料的宏观力学性能、变形破坏机理，采用多尺度方法建立了准确的镁合金体胞有限元模型，并利用所发展的多尺度本构模型，结合有限元方法获得了在宏观拉伸载荷下材料的局部和宏观特性。多尺度方法分析细观单元体的变形结果表明，随着宏观载荷的增加，宏观上显示出的差异非常微小，但是在细观单元体的变形过程中明显观察到，随着载荷步的增加，含长方体形孔洞的塑性变形能力逐渐递减，且应力集中现象比含圆柱形孔洞的细观模型明显。     

基于细观弹性接触的多相颗粒材料本构模型

在考虑了颗粒间细观弹性接触关系的基础上，使用微力学方法得到了随机堆积的多相颗粒材料非线性性本构模型的一般形式。为了说明模型的特点，本文给出了非线性弹性模型在静水压条件下和一维应变条件下的具体形式。模型清晰地反映出不同相颗粒间的接触对整体本构的贡献。与单轴粉末压实实验的对比表明模型预测与实验结果有比较好的一致性。     

基于多尺度分析的混凝土随机损伤本构关系

通过多尺度能量积分与能量损伤表达建立宏-细观尺度之间的联系,即混凝土宏观尺度的损伤演化可以通过细观单元的分析获得.根据随机细观单元的数值分析结果,积分得到基本细观单元能量的演化,分别计算受拉与受剪损伤的演化曲线.建议了实用的损伤演化公式,并基于基本单元分析获得随机损伤发展参数的均值、标准差及其概率密度分布.混凝土宏观试验的模拟结果验证了多尺度随机损伤本构模型的正确性.     

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.     

韧性材料的细观力学实验和数值模拟研究

引入能够定量描述内界面的细观统计参量-形状因子,定义了基于内界面形状因子的损伤变量,建立了相应的细观力学模型,探索细观组织演化和材料宏观响应关系的力学问题。通过宏细观相结和的方法,对韧性金属材料的内界面进行实验研究和数值计算。通过对比试验和数值计算结果,认为可以用形状因子能够反映材料细观组织的演化情况,用损伤变量能够表征材料的损伤程度。并得到了内界面演化随应变发展的演化方程。对于发展和应用宏-细观相结合的损伤力学理论,对阐明韧性材料的变形、损伤、破坏机制有重要意义。