损伤跨尺度演化导致的混凝土强度尺寸效应

基于直接从混凝土破坏机理出发建立的混凝土材料微裂纹模型,对不同尺寸的混凝土三点弯梁试样进行了多尺度建模,对损伤演化导致的试样破坏进行了数值仿真分析,探讨了混凝土尺寸效应的发生机理.研究结果表明:混凝土材料微裂纹模型能成功模拟混凝土中微裂纹分布式生长、聚合、宏观裂纹形成与扩展、试样破坏的全过程;随着混凝土梁试样尺寸的增大,试样中的微裂纹数目及其分布的随机性也随之增加;这些裂纹在微细观尺度上的无序效应在损伤跨尺度演化过程中被放大,导致混凝土试样的宏观力学行为随之变化,即强度减小,断裂能增大,宏观性能的离散度减小;损伤跨尺度的非线性串级发展是导致混凝土强度尺寸效应的根源;相较于Bazant尺寸效应,模拟结果更符合Carpinteri多重分形尺寸效应律.     

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.     

单轴压缩荷载作用下煤岩损伤演化规律的CT实验

冲击地压是煤岩体损伤破坏的特殊表现形式，为了弄清冲击地压的发生机理，利用CT机及其配套专用加载设备，进行了单铀压缩荷载作用下煤岩破坏全过程的细观损伤演化规律动态CT试验，得到了单轴荷载作用下各个应力阶段煤岩在从微孔洞压密到微裂纹萌生、分叉、发展、断裂、破坏以及峰值后各个阶段清晰的CT图像和CT数。通过对CT数和方差等数据进行分析，得到了单轴荷载作用下各个应力阶段煤岩的损伤演化规律，为从细观尺度探讨微裂纹的发生、发展提供了依据，可进一步研究煤岩的宏观破坏及其本构关系。     

龟壳角质层的微结构特征及拉伸力学性能

龟壳是由角质层和骨质层构筑而成的复合层状结构材料,具有轻质、高比强度、高韧性的优异力学性能.本文以龟壳角质层为研究对象,实验研究了角质层的多尺度微结构特征及其拉伸力学性能,主要表征了角质层的基本构元特征、界面构筑方式及角质层拉伸力学性能的影响因素.结果表明,龟壳角质层主要由微米尺度的蛋白质薄片无规则堆叠构筑,叠层厚度方向存在蛋白质桥连,面内方向由粗糙表面的薄片互相搭接;角质层具有明显的拉伸各向异性力学性能,且含水量对角质层的宏观材料特性、拉伸强度和断裂韧性具有一定的影响;薄片的拉伸断裂伴随薄片的层间拔出是角质层最终拉伸断裂的微观损伤模式.简单的有限元模型初步分析了层状结构材料的微观破坏方式,与实验结果定性一致.本文结果在进一步系统分析龟壳结构材料的多尺度力学性能及多尺度物理关联,进而提出轻质、高强韧复合结构材料的仿生优化设计方法等方面,具有一定的理论意义.     

压缩荷载下煤岩损伤演化规律细观实验研究

利用计算机层析摄影技术 (CT)进行了单轴压缩荷载作用下脆性煤岩破坏全过程的细观损伤演化规律动态CT试验 ,得到了单轴荷载作用下各个应力阶段煤岩从微孔洞压密到微裂纹萌生、分叉、发展、断裂、破坏以及峰值后各个阶段清晰的CT图像和CT数 .根据实验结果可把白皎煤矿煤岩细观损伤演化规律全过程分为 5个阶段 :损伤弱化阶段、准线性阶段、损伤开始演化和稳定发展阶段、损伤加速发展阶段、峰后软化阶段 .通过对CT数及其方差进行分析 ,得到了单轴荷载作用下各个应力阶段煤岩的损伤演化规律 ,为从细观尺度探讨微裂纹的发生、发展提供了依据 .     

一种跨原子/连续介质尺度的多尺度耦合方法

基于原子尺度上的分析手段对研究材料变形和失效机理非常重要,且为材料在宏观尺度连续性理论中本构关系的进一步发展奠定了基础.而不同尺度下的连接对揭示材料变形与破坏的多尺度现象具有重要意义.本文建立了一种跨原子/连续介质尺度的耦合数值模型,采用位移迭代方法对原子与有限元节点进行连接.耦合模型算例中观察到了裂纹钝化和空洞扩张的演化结果,与理论和实验结论相符,表明本文提出的方法和模型的合理性.     

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.     

巷道岩爆孕育过程的数值模拟

针对岩石类动力学灾害如地震、岩爆、冲击地压、煤矿开采中的三突问题,其形成机制都可归结为岩石损伤演化诱致结构灾变的模式。工程结构灾变区的形成和发展可以通过数值模拟确定。根据微损伤不可逆演化原理,利用格形有限元模型,模拟巷道断面在自适应位移加载条件下,从点状微损伤斑图到宏观贯通断裂的不可逆的跨尺度生长过程。数值程序是在ANSYS平台上开发。     

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.     

平纹叠层SiC/SiC复合材料室温和高温拉伸行为与破坏机理

通过单向拉伸试验,对比研究平纹叠层SiC/SiC复合材料在室温和高温(1 200℃)环境下的宏观力学特性,并采用扫描电镜对试验件断口进行观测,以分析其微观损伤模式和破坏机理.结果表明:平纹叠层SiC/SiC复合材料的室温和高温拉伸应力-应变行为均表现为非线性特征,具有较高的轴向拉伸基体开裂应力;两者拉伸强度相差不大,但高温下的断裂应变比室温下的高.从宏观断口分析可知,两者均呈现韧性断裂,但纤维拔出长度和断口平齐程度有所不同.材料内部产生的基体裂纹大部分与加载方向垂直;断面上经向纤维束发生纵向拉伸断裂破坏,内部存在严重的界面脱粘损伤以及纬向纤维束发生轴向劈裂破坏是材料在室温和高温下的拉伸破坏机理.高温下由于纤维与基体间的界面层在一定程度上被高温氧化而退化失效,使界面结合变弱和界面滑移力降低,从而产生较长的纤维拔出长度,所以高温下材料具有较高的断裂韧性.     

微观因素对铸铁材料极限强度的影响

为了研究微观因素对铸铁材料极限强度的影响,根据材料的破坏机理,提出了一种宏、微观跨尺度裂纹扩展模型,该模型可描述材料从微观缺陷到宏观断裂的过程。模型中初始微观缺陷大小及3个尺度效应函数,代表着微观因素对破坏过程的影响。进行了铸铁试件的单向拉伸试验,根据试验数据,采用打靶计算,拟合出了模型中的2个材料特性参数。对铸铁试件的拉伸极限强度进行了计算,计算结果与铸铁件拉伸极限强度的试验数据完全吻合。研究结果表明,极限强度值受微观因素影响具有一定的离散性,可由模型得到正确反映。最后通过数值模拟计算,探讨了微观因素对材料破坏过程的影响。     

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.     

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。     

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。     

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.     

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.     

风电叶片复合材料层间开裂声发射监测

通过对含Ⅰ型分层缺陷的单向和多轴向风电叶片复合材料试件进行拉伸力学性能实验,同时进行声发射全程监测,研究了含Ⅰ型分层复合材料在拉伸过程的损伤演化特性及声发射响应特征.实验结果表明:风电叶片复合材料Ⅰ型分层加载初始阶段载荷与张开位移之间呈现线性特征,当出现宏观裂纹扩展时两者呈现非线性关系.声发射监测数据显示,声发射信号的幅度、撞击累积数、相对能量等特征参量的动态变化可以反映出复合材料Ⅰ型分层损伤破坏过程.风电叶片复合材料声发射检测中可以依据信号的特征参量变化判断复合材料结构的损伤破坏程度.     

双钢板-混凝土短肢组合剪力墙抗震性能试验

对4个双钢板-混凝土短肢组合剪力墙试件进行了试验,考虑了单调、循环两种加载方式以及1.0、2.0两种剪跨比,研究了该类墙体的破坏模式、延性、刚度、承载力、耗能等抗震性能指标.试验结果表明:组合剪力墙在加载过程中经历了混凝土的开裂和压溃、钢板的屈曲和屈服甚至断裂,其破坏模式属于典型的弯曲控制型破坏;组合剪力墙的位移延性系数均超过3.0,试件具有较好的变形能力;剪跨比为2.0的组合剪力墙具有更好的延性;循环加载组合剪力墙表面钢板的屈曲和混凝土的严重损伤,致使其耗能较差;循环加载组合剪力墙的极限荷载、延性系数较单调加载组合剪力墙均降低10%以上.提出限制表面钢板屈曲的优化建议.     

CFL增强RC梁的疲劳累积损伤模型

通过碳纤维薄板(CFL)增强钢筋混凝土(RC)梁的三点弯曲疲劳试验,得到了构件疲劳寿命曲线及其跨中挠度、抗弯刚度的演化规律;采用增强梁的剩余抗弯刚度来定义损伤变量,建立了描述其损伤、断裂过程的疲劳累积损伤模型,并对CFL增强RC梁的疲劳损伤演化历程进行了数值分析.结果表明,文中提出的疲劳累积损伤模型能够准确地描述包括混凝土开裂、CFL与混凝土剥离、钢筋屈服等破坏模式在内的CFL增强RC梁的疲劳损伤、破坏过程.     

掺CWCPM混凝土的冻融损伤机理及演化模型

建筑垃圾的大量堆积和冻融破坏作用导致的混凝土耐久性衰减是目前土木建筑工程领域面临的两大严峻挑战。为提高建筑垃圾再生利用率,并从本质上揭示掺建筑垃圾(废砖粉)复合粉体材料(CWCPM)混凝土的冻融损伤演化机理,采用室内加速试验和理论分析相结合的研究方法,分析不同因素对混凝土宏观抗冻性能劣化规律的影响,并采用多因素分析方法建立掺CWCPM混凝土的冻融损伤演化模型。借助微细观测试手段,分析冻融过程中掺CWCPM混凝土微观形貌及孔结构的损伤演化规律,揭示混凝土冻融损伤演化机理。结果表明:随水灰比、冻融循环次数的增加和盐溶液的加入,混凝土冻融损伤破坏程度增加;CWCPM的掺入提高了混凝土的抗冻性能,与基准试件相比,50次冻融循环后,掺30%CWCPM混凝土的单位面积剥蚀量降低27.1%,抗压强度提高6.2%;基于宏观试验结果建立的冻融损伤演化模型可较好地预测混凝土抗冻性能。由混凝土微细观试验结果可知,掺CWCPM混凝土的冻融损伤的实质是其内部微观结构逐渐松散、孔结构逐渐劣化的物理变化过程,是试件内部裂纹、孔隙等缺陷产生、扩展直至破坏的损伤积累过程。