混凝土随机损伤本构关系

结合破坏力学和统计力学的思想,研究了基于损伤随机演化观点的混凝土本构关系和混凝土受拉损伤发展随机演化规律。根据混凝土微细观材料破坏的声发射试验,确定了混凝土微单元破坏应变的随机分布特征。通过对混凝土受拉试件细观物理机制抽分析,揭示了混凝土轴心受拉应力－应变关系中的应力跌落现象,并建立了跌落后的应力表达式。     

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。     

混凝土随机损伤本构关系研究新进展

提出了一类混凝土细观损伤物理模型，用于解释高性能混凝土在本构层次上的细观损伤演化特征，建立了混凝土单轴受拉，单轴受压与双轴拉压组合条件下的随机损伤本构关系模型。利用混凝土单轴受拉破坏全过程的声发射实验数据，引入随机建模理论，确立了细观损伤单元的极限破坏应变随机场分布参数，通过与一批高性能混凝土本构关系试验数据相比较，初步证实了采用随机损伤本构关系反映混凝土受力破坏机理的可行性。     

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。     

混凝土宏观损伤与细观损伤的结合

提出了能量耗散等效原理，建立了混凝土材料宏观损伤与细观损伤的关系；单轴压缩下，纵向损伤与横向损伤之比为０．１；根据建立的宏观损伤与细观损伤的关系，细观量的演化就可以通过宏观量来反映，易于测量；反之，宏观量的演化又有了细观物理背景     

一种受剪细观损伤单元模型及其应用

基于剪切损伤破坏机制,发展了相应的细观损伤单元模型,它由弹脆性的微弹簧和模拟裂缝滑移的塑性元件组成.混凝土单轴受压时的宏观性能可用受剪细观损伤单元的并联体来解释,由此建立了混凝土单轴受压的损伤本构关系模型,并建议了塑性变形的简化计算方法.通过引入混凝土剪切单元破坏应变分布随机场,推导了应力与损伤的均值、标准差的表达式.根据混凝土单轴受压时的应力-应变全曲线试验结果,结合随机建模原理和优化算法确定随机场参数和材料参数,将分析得出的受压随机应力-应变关系与试验结果进行比较,二者吻合良好.     

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.     

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.     

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.     

混凝土随机损伤本构关系--单轴受压分析

在混凝土受拉随机损伤本构关系研究基础上 ,进一步研究了混凝土单轴受压随机损伤本构关系 .通过考虑混凝土内部各组项的影响 ,建立了混凝土单轴受压损伤机理模型 .通过引入混凝土细观单元受拉破坏应变分布随机场 ,根据混凝土破坏过程的能量守恒原理 ,导出了混凝土受压破坏的随机损伤本构方程 .将导出的理论结果与试验研究进行了对比 ,效果良好 .     

金属材料动态响应过程中的卸载特性

 针对金属材料卸载过程中计算结果与实验数据之间存在比较大差异的现象,在卸载段采用与加载段不同的剪切模量,描述金属材料动态响应过程中卸载初期的准弹性卸载过程,结合所选取的本构模型和损伤演化模型,对靶材料冲击加载过程中的卸载、损伤、层裂等过程进行理论和数值模拟研究,数值模拟结果表明,文中采取的模型,对于动态响应过程中准弹性卸载过程、后续的损伤以及完全层裂过程的描述比较合理,获得了与实验数据符合比较好的计算结果。     

基于数字图像的复合岩石试验与损伤模型研究

为研究层状复合岩石破坏过程和形态,采用相似理论制作出层状复合岩石相似模型,在单轴压缩条件下观测岩石的破坏特征,结合三维数字图像相关技术(3D Digital Image Correlation,以下简称DIC)对试件的整体变形及破坏进行全过程的观测,得到复合岩石三维场的位移和应变,同时基于试件表面应变场的变化,建立了表面损伤程度与损伤因子D之间的量化关系,进而得到基于DIC表征的层状复合岩石损伤演化模型,研究结果表明：(1)层状复合岩石的破坏形态与脆性岩石特征相似,以拉伸劈裂破坏和Y型剪切破坏为主;(2)DIC试验记录的表面应变与损伤因子之间的量化关系可有效反应岩石破坏的全过程,以此为基础建立的损伤演化方程与实验数据拟合效果较好,证明了模型的合理性。     

双连梁短肢剪力墙结构非线性损伤分析

依据基于损伤能释放率的混凝土弹塑性损伤本构模型，对一类新型钢筋混凝土双连梁短肢剪力墙进行了数值仿真．考察不同位移水平下应力分布变化以及典型位移时刻受拉与受剪损伤演化过程并与试验结果对比，发现仿真结果不仅揭示了双连梁短肢剪力墙结构受力全过程中非线性反应发展主线，而且从微观损伤层次再现了钢筋混凝土结构的非线性反应．     

复合材料层合板双面贴补结构渐进损伤分析

提出了一种分析和预测在拉伸载荷作用下复合材料层合板双面贴补结构的极限承载能力的方法,建立了分析复合材料双面贴补结构渐进损伤的三维有限元模型.胶层用各向同性模型描述,提出了基于3个方向剪切应变描述的二次剪切失效判据来预测胶层的损伤起始,定义了与材料应力应变相关的刚度折减函数来模拟损伤后胶层刚度的连续退化.层合板用正交各向异性三维模型描述,采用基于应变描述的三维Hashin准则和Ye分层准则来预测其损伤起始,引入损伤变量来考虑层合板的损伤扩展.计算结果与试验数据吻合较好,说明该方法和模型可以有效地预测复合材料双面贴补结构的拉伸极限强度.     

TC18钛合金多次冲击损伤演化规律

为了探究TC18材料在多次冲击下的损伤演化规律,参考夏比冲击标准设计了三点弯冲击试验件,开展了多次冲击试验。通过动态拉伸试验以及两个应变水平的低周疲劳试验获得了TC18材料的Johnsonson-Cook本构模型、Lemaitre损伤模型中的材料参数,引入修正因子改进了Lemaitre损伤模型,并编写了子程序,基于Johnson-Cook本构模型和改进的Lemaitre损伤模型对试验件进行了多次冲击数值仿真。结果表明,采用改进的Lemaitre损伤模型的有限元仿真结果与试验结果符合较好,TC18材料在多次冲击下损伤变化呈现两个阶段——缓慢累积和迅速增长。     

考虑劈裂对应力集中缓解作用的纤维增强复合材料损伤破坏分析

外载荷作用下含缺口纤维增强复合材料层合板在缺口边缘存在很高的应力集中,在载荷水平较低时,缺口边缘纤维间基体受剪切作用会发生沿纤维方向的纵向劈裂,该纵向劈裂会降低缺口处的应力集中并提高层合板的承载能力。为准确模拟纵向劈裂对缺口边缘应力集中的缓解作用,利用扩展有限元方法模拟劈裂建立了复合材料层合板渐进性损伤破坏分析的仿真模型,模型选用Hashin破坏准则对复合材料层合板的失效进行预测,分别研究了铺层顺序和缺口形状对复合材料层合板抗拉强度的影响,并与现有文献中的实验结果进行了对比,模拟结果表明破坏模式和破坏强度均与实验结果相吻合,验证了本文渐进性损伤破坏分析仿真模型的有效性。     

石灰岩损伤演化的化学热力学及动力学模型

隧道开挖排水后 ,地下水动力学及化学环境的改变可能使石灰岩围岩化学损伤的演进过程加速 ,为定量化评价此作用 ,引入了化学热力学和化学动力学的理论和方法 .建立化学热力学模型 ,通过吉布斯自由能变化判定隧道水化学损伤能否自发进行 ,为在工程中是否需要考虑化学损伤及进行损伤场的计算提供依据 .将轻微改造后的裂隙概化为平行板模型 ,采用Plummer Wigley Parkhurst方程建立定量评价化学损伤的化学动力学模型 .根据实际情况取定化学反应的阶数 ,通过质量守恒定律计算出裂纹在迹长及隙宽方向的变化 ,得到化学损伤定量演化的公式 .     

含动态再结晶粘塑性模型的参数识别

针对含动态再结晶粘塑性模型中的材料参数应用传统的测试方法很难准确测定的问题,吸收了遗传算法、增广高斯-牛顿算法、Levenberg-Marquardt算法和可变多面体算法的优点,构造了一套混合的全局优化算法.以26Cr2Ni4MoV为例,以镦粗实验提供的实验数据和刚塑性有限元模拟提供的数值解差值的l2范数的平方作为目标函数,应用构造的算法识别了该模型中的材料参数,计算结果和实验结果符合良好.     

石灰岩损伤演化的断裂力学模型及耦合方程

采用断裂力学方法分析裂纹起裂条件 ,建立腐蚀损伤岩体水力 (劈裂 )损伤的演化方程 .水化损伤的演化用矩(碟 )形板模型表示 ,用化学动力学的方法———PWP(Plummer Wigley Parkhurst)方程推导出水化损伤的演化方程 ,在此基础上 ,通过拉剪状态下水化 -水力耦合损伤演化模型 ,建立了水化 -水力耦合损伤演化方程 ,并结合工程实例将其用于耦合损伤条件下应力强度因子和渗透张量的计算     

延性材料损伤模型及其实验验证

通过构造热力学势函数和耗散势函，得到了连续介质损伤力学基本方程，并给出了各向同性损伤演化规律，求得损伤与塑性应变的显式表达式，通过与材料实验数据比较，验证了模型的正确性。