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。     

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。     

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.     

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.     

基于相场法的岩石三点弯曲细观破坏数值模拟

岩石中裂纹的起裂、扩展和贯通等行为是研究岩石变形、强度及稳定性的关键力学问题,通过数值方法预测和分析裂纹扩展行为具有重要意义。相场法在严谨准确的理论框架内,克服了传统断裂力学理论及数值计算方法显式追踪裂纹面的挑战,能很好地模拟裂纹起裂、扩展、分叉和多裂纹相互贯通。本文通过裂纹扩展主要区域建立了能够反映岩石内部细观结构的多尺度模型,利用相场法从细观力学尺度预测和分析了岩石三点弯曲时内部裂纹的起裂、扩展和贯通的破坏过程,分析了矿物颗粒的位置分布和能量释放率等参数对裂纹扩展行为的影响规律。通过与室内岩石三点弯曲宏观和细观试验对比分析,结果表明,相场法能够很好地模拟和预测具有复杂细观结构的岩石内裂纹的萌生、扩展和贯通的破坏过程。     

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。     

焊接结构损伤区细观裂纹扩展的分形特征及其多尺度损伤表征

为了研究焊接结构破坏过程中的宏细观损伤演化特征及其表征方法,以含细观裂纹的焊接构件为对象,采用X-CT(X射线计算机断层扫描)和电测技术同步记录试样内部细观结构和宏观力学性能变化过程.实验发现,试样变形过程中试样在弹性模量减小的同时,其内部细观裂纹不断萌生、扩展和聚合,扩展形态表现出显著的分形特征,且分形维数随试样塑性变形呈线性增加的趋势.综合考虑裂纹扩展形态的分形维数度量与裂纹扩展的物理意义,提出了一种多尺度损伤表征方法,以同时描述结构宏观损伤特性与内部细观裂纹扩展特性,并用传统的损伤量化方法进行验证.结果表明,新的多尺度损伤表征方法能够很好地描述细观裂纹到宏观损伤的多尺度演化过程.     

描述微裂纹成核与扩展的疲劳损伤多尺度模型及其应用

利用多尺度模拟的方法建立了针对疲劳损伤累积过程中微裂纹成核与扩展阶段的疲劳损伤多尺度模型,对模型的有效性进行了实验验证,并将其应用于变幅疲劳载荷下某装甲车传动轴的疲劳寿命评估中.研究结果表明,所提模型能同时预测宏观尺度疲劳损伤与细观尺度微裂纹的成核与扩展率,利用该模型所预测的宏观疲劳损伤值与实验所测值相符.该模型既能合理地描述宏观尺度下不同应力水平的疲劳损伤演化过程,又能综合反映细观尺度下微裂纹的成核与扩展行为.利用这种多尺度疲劳损伤模型可以预测结构在疲劳微裂纹成核与扩展阶段所消耗的疲劳寿命,为各类结构疲劳损伤累积过程评估和准确进行寿命预测提供了一种新途径.     

刚性弹侵彻混凝土靶细观尺度模型的建立

与宏观尺度模型相比,混凝土细观尺度模型能够更加全面准确地描述混凝土的力学行为。编写了三维随机球形粗骨料的生成和投放程序,并采用一种基于背景网格的材料识别技术完成了水泥砂浆、粗骨料、界面过渡区三种网格的生成,建立了三维三相混凝土细观有限元模型。基于这一模型,运用连续有限元软件对刚性弹侵彻混凝土过程进行了仿真模拟。结果表明,与宏观模型相比混凝土细观模型能够更加真实地反映侵彻过程中混凝土的力学行为。     

基于统计损伤理论的混凝土双轴拉-压本构模型研究

基于细观统计损伤理论及宏观试验现象,本文建立了混凝土双轴拉-压细观统计损伤本构模型.该模型考虑断裂、屈服两种细观拉损伤模式,损伤演化过程由主方向的拉、压应变驱动.将单轴拉伸、单轴压缩作为两种最基本的宏观破坏形式,复杂应力状态下的损伤破坏过程理解为单轴拉伸、压缩损伤演化过程的某种组合形式.引入等效传递拉损伤应变和损伤影响参数,建立宏观拉、压破坏模式对应细观损伤机制之间的等效关系.通过与试验结果比较,表明该模型能够很好地模拟双轴拉-压加载情况下材料均匀损伤阶段的力学行为.对双轴拉-压比例加载路径下应力-应变曲线进行预测,提取出双轴拉压强度包络线,从双轴强度、变形特性、破坏形态等角度对材料的双轴拉-压损伤机制进行探讨.     

细观损伤理论的非均质混凝土梁开裂模型

针对传统等效裂缝模型无法与细观损伤理论联系起来,多尺度分析裂缝开展的问题.采用以挠度为自变量的三点弯曲梁损伤计算方法,依据宏观断裂力学和细观损伤理论,根据两参数的Weibull分布理论,将细观损伤本构模型运用描述宏观断裂力学行为,并建立改进的混凝土梁开裂模型.并结合三点弯曲梁试验数据,同时利用ANSYS分析软件对开裂过程进行数值模拟.研究结果表明:采用改进的混凝土梁开裂模型数值模拟结果和试验数据吻合良好,表明该模型能准确描述混凝土梁的开裂,可以作为评价混凝土梁开裂与否的理论判据.     

沥青混合料疲劳损伤试验表征综述

针对沥青混合料疲劳损伤细观形态难以与宏观力学性能表征联系起来的现状,从损伤机理、表征模型及疲劳性能试验方法三方面综述了沥青混合料疲劳性能表征的发展现状、存在的问题,预测了其未来的发展方向。研究表明：由于沥青混合料是一种多相、多组分、多尺度的黏弹性材料,在评价其疲劳性能时,宏观的疲劳试验需要结合计算机断层扫描、数值模拟和数字图像相关技术等细观分析方法。沥青混合料疲劳性能试验方法目前应用最为广泛的是室内小型试件疲劳试验,由于不同试验方法中设置的试验条件各不相同,故其试验结果和性能参数呈现出显著的差异性。应重点研究沥青混合料抗疲劳开裂性能的细观结构损伤开裂形态与宏观性能表征的联系;改进现有疲劳试验方法的试验条件、开发先进的三维应力状态的加载设备,并增加试验的尺度以反映真实荷载环境下的疲劳性能;基于能量理论和黏弹性连续损伤揭示沥青混合料疲劳特性和历史荷载条件下的疲劳损伤规律。     

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。     

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.     

“地质体渐近破坏过程的演化机理及计算模型”2010年度报告

该研究“地质体渐进破坏过程的演化机理及计算模型”主要针对工程地质灾害在成形阶段地质体由连续介质向非连续介质的转化特性,建立地质体由既有局部破坏向整体贯穿性破坏的内在机理,并建立相应的判别准则;发展细观与宏观力学参量对应关系的均匀化方法和局部化模型,通过对地质体在灾害成形阶段的宏观细分析,建立内部破坏状态与宏观可测物理量之间的对应关系,并重点研究地质体内部破裂程度与声发射、波动特性及衰减规律、内部滑移与地表位移、地表裂缝之间的对应关系,确定地质灾害发生的前兆信息;发展地质体宏观连续体模型与细观离散体模型相结合的跨尺度计算模型,并开发相应的计算软件。在2010年度,研究组围绕年度研究计划,主要开展了如下工作,即:提出了非均质梯度Cosserat连续体的Hill定理;发展了基于细观力学信息的模拟颗粒材料力学响应的离散颗粒集合体-Cosserat连续体的宏观本构模型与细宏观计算均匀化方法;发展了耦合离散单元法和Cosserat连续体有限元法的连接尺度方法;研究了工程地质灾害中岩土颗粒介质的类固-液转化特性及本构模型;发展了岩土材料离散元方法的高性能、大规模数值算法;研究了考虑滚动摩擦的颗粒接触模型和具有破碎解簇功能的非规则颗粒;研究了基于亚塑性/扰动状态模型的土石混合体渐进破坏模拟及颗粒破碎影响;研究了地质体渐进破坏过程及剪切带的发生与演化机理。     

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...     

工程结构损伤的两个重要科学问题--分布式损伤和尺度效应

工程结构的失效起始于底层,即从材料中的孤立的空洞成核开始,形成微裂纹,发展为宏观裂纹,直至整个结构破坏,因此分布式损伤和尺度效应在工程结构损伤问题中显得十分重要,本文简要介绍了一种处理分布式损伤（微损伤）的方法－“统计细观损伤力学”,以及其于该方法讨论了分布式损伤的演化规律,对于跨尺度失效问题的尺寸效应,通过分析应力波引起的损伤问题（存在2个反映尺度效应的Deborah数）,指出各类尺度耦合的机理和特征是关键点。     

混凝土细观破坏过程的近场动力学模拟

近场动力学(Peridynamic,PD)是一种基于非局部作用思想的理论,解决不连续问题时具有独特优势.首先概述了常规态型PD基本理论(Ordinary State-Based PD,OSB PD),采用了一种新的圆形骨料投放方法,有效地提高了混凝土骨料的投放率,建立了适用于混凝土细观破坏的常规态型PD计算模型.对混凝土结构的细观破坏过程进行了模拟,数值模拟结果与理论解吻合较好,进而分析了混凝土结构细观破坏机理.     

大型土木结构多尺度损伤预后的现状、研究思路与前景

针对大型土木结构安全服役的迫切需求,提出了"治结构之未病"的学术理念和结构多尺度损伤预后的研究思路.指出这类结构安全的共性问题是其损伤跨越了材料、构件和结构层次,是从微/细观到宏观尺度的多尺度、跨层次非线性演化.从发展多尺度损伤预后方法的驱动力、结构多尺度损伤预后相关理论研究现状、大型土木结构多尺度损伤预后的关键科学问题与解决思路以及大型土木结构多尺度损伤预后的发展趋势等方面,综述了大型土木结构多尺度损伤预后研究的现状、研究思路与应用前景.指出结构多尺度损伤预后研究需解决的关键科学问题包括结构损伤多尺度非线性演化机理、结构遭遇极端灾害作用时损伤跨层次突变导致灾变的机理及其损伤过程预测以及大型土木结构损伤过程模拟与分析中的不确定性和预后可靠性等.最后,展望了发展结构多尺度损伤预后理论对于结构全寿命安全的应用前景.