干湿循环脆性岩石直接拉伸断裂的宏细观力学模型

针对三峡库区消落带等长期处于干湿循环条件下导致岩石损伤破坏的工程问题,探究在干湿循环和直接拉伸荷载共同作用下,脆性岩石的宏细观断裂力学特性这个难点问题。由于干湿循环条件下的直接拉伸试验较难实现,考虑干湿循环与直接拉伸荷载作用的宏细观力学关系模型非常欠缺。基于断裂力学理论方法,结合干湿循环试验研究方法,提出了一种干湿循环条件下脆性岩石直接拉伸断裂的宏细观力学模型。该模型是在考虑了干湿循环次数n与含水率ω对断裂韧度K_(IC)和初始损伤因子D_(0)综合影响的基础上,结合岩石初始细观裂纹损伤与裂纹断裂韧度的直接拉伸细观裂纹扩展力学模型建立的。对比分析抗拉强度、裂纹扩展极限长度l_(lim)、弹性模量、岩石劣化损伤的理论与试验结果,验证了模型的合理性。讨论了初始裂纹倾角φ、材料常数β等参数影响下,裂纹启裂应力及峰值应力随干湿循环次数n的变化规律。对比分析了干湿循环和单独含水条件对岩石劣化度力学特性的影响。

岩石破裂与渗流耦合过程细观力学模型

从岩石细观非均匀性的特点出发,应用弹性损伤力学、B iot渗流力学理论,对岩石破裂过程渗流-应力-损伤耦合模型进行了描述.算例表明,该模型能较好的模拟出岩石材料在水压和载荷作用下裂纹扩展路径不规则发展及稳态、瞬态渗流过程,裂纹扩展对渗流路径和流动过程起到明显的控制作用.

脆性岩石渐进及蠕变失效特性宏细观力学模型研究

压应力作用脆性岩石渐进及蠕变失效特性是其力学性质研究的两个主要研究方向。其对于深部地下开挖围岩稳定性的判断有着重要的指导意义。岩石内部微裂纹扩展对脆性岩石的渐进及蠕变特性有着重要的影响。因此,基于岩石的应力与裂纹扩展关系及裂纹扩张演化法则,并结合宏细观损伤定义之间的关系,提出了一个新的宏细观力学模型,推出了岩石完整的应力–应变关系与蠕变理论表达式。分析了围压对岩石的应力–应变关系的影响。研究了岩石内部初始微裂纹尺寸及裂纹间摩擦系数对应力应变关系及岩石强度的影响。并给出了不同围压下岩石裂纹初始应力与峰值应力,其对蠕变实验中的施加应力初始值选取提供了一定参考。然后,研究了恒定围压、轴压分级加载应力路径下的岩石蠕变应变及应变率变化趋势。通过试验结果验证了理论模型的合理性。进而,对压应力作用下细观裂纹扩展对岩石力学特性影响的理解提供了一定的理论参考。

纤维断裂引起层合板多向刚度减缩的细观力学模型

研究了纤维断裂对连续纤维增强树脂基复合材料刚度的影响 ,建立了分析这种影响的细观力学模型 ,给出了描述纤维断裂引起的单向板四个弹性常数减缩的表达式。分析结果表明 :在纤维断裂为主要损伤控制模式阶段 。

M-型皱褶芯材弹性常数的细观力学模型

研究了皱褶芯材的几何特征和承力特性 ,给出了其当量弹性常数求解的细观力学模型。该模型采用材料力学的方法推导出了 M-型皱褶芯材的当量密度ρ、当量线弹性模量Εz 和当量剪切模量 Gyz。

硬化水泥浆体弹性模量细观力学模型

应用复合材料力学理论和有孔介质力学(Poromechanics)理论建立了一个描述硬化硅酸盐水泥浆体弹性模量的细观力学模型,将硬化水泥浆体从不同尺度上划分为4个层次,即C-S-H凝胶、水泥水化产物、水泥浆体骨架和水泥浆体,分别应用不同的细观力学模型予以描述:将C-S-H视为饱和的有孔介质;应用Mori-Tanaka模型描述水泥水化产物的弹性性质;应用三相模型(Three-phase model)模拟水泥浆体骨架的有效弹性模量;最后,再次应用Mori-Tanaka模型和有孔介质理论,计算水泥浆体的排水和不排水弹性模量(Drained and undrainedelastic moduli)。该模型所需要的参数为水泥浆体各个组成部分的自身弹性性质,使用方便。通过预测文献中的实测结果,证明了该模型的有效性。

密质骨的滑动界面细观力学模型

本文将粘合线作为骨单元和间板之间的粘弹性界面，建立了密质骨的细观力学模型，并给出了该模型在沿骨的轴线方向载荷作用下的应力响应和某些密质骨的宏观等效模量。还发现骨单元和间板的泊松比之差对密质骨的等效模量和内部横向应力的分布具有重要影响。

T700/QY8911缝合复合材料细观力学模型研究

建立了两种缝合复合材料单层细观力学几何模型。通过考虑缝线引起面内纤维弯曲角度的梯度渐变分布和纤维弯曲区域宽度的范围,以T700/QY8911缝合复合材料为例,用细观力学方法和数值积分方法分别计算了两种模型的弹性常数和拉伸强度。计算及试验结果表明,缝合引起的面内纤维弯曲变形导致了复合材料纵向弹性常数下降;无论增强纤维最大弯曲变形程度为何值,当纤维弯曲区域宽度越小,纤维弯曲区域宽度对纵向弹性模量的影响越大;即缝线引起纤维在针脚附近只有部分纤维发生弯曲变形比纤维全部发生弯曲变形得到的结果更准确。

细观力学模型在混凝土层裂实验中的应用

利用细观力学的方法研究了造成混凝土层裂实验中出现反射应变峰值随着传播距离增加而增加的现象(即"反常"现象)原因。提出了三维三相(基体、骨料及二者之间的界面过度层-ITZ)细观力学模型的建模方法,并通过单元重构技术克服了ITZ层太薄而难以模拟的问题。利用三相细观力学模型模拟了层裂实验的破坏形貌并对比分析了三相、两相和宏观模型在模拟"反常"现象时的优缺点。研究表明:三相细观力学模型的模拟结果与实验结果具有更好的一致性,再结合损伤云图说明了造成"反常"现象的原因是损伤积累效应。

塑性细观力学模型的比较分析

对塑性细观力学模型的割线模量法、各向同性化的切线模量法、各向异性化的切线模量法和弹性约束法的适用性及预测结果进行了分析比较表明，在变形较小的情况下各向异性化的切线模量法能较好地预测复合材料的拉伸和循环硬化性能，各向同性化的切线模量法和割线模量法较适用于对单向拉伸的预测，而弹性约束法的预测则偏高．

缝合复合材料弹性常数细观力学模型的分析比较

对近几年来公开发表的缝合复合材料弹性常数的细观力学模型进行了分析比较。通过计算对比了铺层纤维面内弯折、正弦波状弯曲、多项式描述纤维弯曲三个典型的缝合复合材料弹性常数的细观力学分析模型。结果表明,采用面内纤维弯折假设的弹性常数分析模型对缝纫参数的改变不敏感;采用面内纤维弯曲假设的模型对缝纫参数改变敏感,不同模型得到的弹性常数随缝纫参数变化趋势几乎是相同的。但是,假设纤维在针脚附近只有部分纤维发生弯曲比假设纤维全部发生弯曲得到的结论更合理。

纤维增强复合材料宏观与细观统一的细观力学模型

研究了复合材料宏观、细观特征之间的联系,将宏观复合材料体中的1点赋予了细观结构特征。基于细观结构周期性假设,建立了1种细观力学模型,用模型中高阶多项式函数模拟基体和增强相中的细观位移场;通过对细观单元力学方程的分析与求解,建立了复合材料宏观、细观力学变量之间的联系。该细观力学模型,不仅能用于复合材料宏观有效性能的预测及细观应力、应变场的分析,而且能够很容易地融入常规有限元法中,实现对复合材料结构的宏观、细观一体化分析。以该细观力学模型为基础的计算结果与部分文献中的试验结果及理论计算值具有较好的一致性。

反平面剪切作用下双材料滑动界面的细观力学模型

非理想粘结界面对多相材料力学性能具有重要影响。对于双材料间含众多随机分布微裂纹的界面,宏观上可以等效为连续损伤的弱界面,其两侧的面力连续而位移有间断。只有切线方向的位移间断,而法线方向位移连续的弱界面称之为滑动界面。在反平面剪切的作用下,我们证明了对于含有随机分布微裂纹的弹性双材料界面在宏观上等效为线弹簧型滑动界面,并获得了滑动界面柔度的一般表达式。利用Mori-Tanaka方法和广义自洽方法,我们研究了滑动界面柔度系数和微裂纹密度的关系。对这两种方法所得的结果进行比较发现,Mori-Tanaka方法得到的界面柔度比广义自洽方法得到的界面柔度大。当裂纹密度比较小时,这两种方法求得的界面柔度很接近。两种方法的结果都表明,界面柔度随裂纹密度的增加而增加。Mori-Tanaka方法比广义自洽方法求解更为简便。

松质骨的细观力学模型

本文假设骨小梁为各向同性体，采用纤维张量描述骨小梁的结构，给出了松质骨的弹性系数与纤维张量和骨小梁弹性系数之间的关系。从而为进一步研究松质骨的力学行为奠定了理论基础。

复合固体推进剂细观力学性能模拟研究进展

阐述了近年来国内外复合固体推进剂细观力学性能模拟的研究进展,分别从复合固体推进剂细观模型建立和数值模拟分析2个角度分别研究复合固体推进剂的宏观力学性能。介绍了复合固体推进剂细观模型建立的几种方法以及先进的数值模拟技术,综述了机器学习在复合推进剂细观力学性能研究中的应用,并结合当前研究动态和相关技术的进展,对该领域的未来进行展望。分析认为,在细观模型建立方面,分子动力学实现三维RVE计算模型是难点,重点关注含内部损伤的细观本构模型,克服推进剂小变形的不足;在细观尺度数值模拟计算方面,建议在充分包含的细观组成和计算资源成本之间取得平衡,进一步发展能够兼顾计算效率和准确度的复合固体推进剂细观尺度的模拟计算方法。

深部硬岩脆-延性转化行为的细观损伤模型

既有试验研究表明,在压缩荷载作用下,围压对低孔隙率硬岩的强度、破坏模式、剪胀性等具有重要影响。在围压不断增大的条件下,硬岩的破坏特性将呈现由脆性向延性转变的趋势。本文基于细观力学方法分析硬岩的脆-延性破坏机理,探究脆-延性转化过程中非弹性变形、损伤与围压的定量关系,继而构建细观损伤力学模型以描述深部硬岩在不同压缩荷载作用下的脆-延性转化力学行为。为了验证所构建模型的合理性和有效性,通过UMAT子程序将其嵌入有限元软件Abaqus模拟低孔隙率砂岩(围压10~120 MPa)和Tavel石灰岩(围压10~150 MPa)在常规三轴加载下的力学行为。对比发现,数值模拟结果与试验数据具有较好的一致性,说明细观损伤力学模型能够较好地捕捉硬岩随着围压增加表现出的从脆性到延性转化的力学特性,也初步表明基于细观力学的分析方法可以为解译深部岩石的力学行为提供理论支撑。

基于复合材料细观力学模型的沥青混凝土弹性模量预测

针对目前预测沥青混凝土弹性模量的主要方法(基于宏观层面的试验法和经验法)均未能反映其细观结构的问题,基于复合材料细观力学方法建立了沥青混凝土多相的2层嵌入式细观力学模型,求解得到单夹杂复合材料的2个弹性常数(弹性模量和剪切模量);结合多步骤方法,即将各档粒径集料与空隙逐一投入,然后进行均匀化,得到多夹杂复合材料弹性模量,并与试验值进行对比。结果表明:预测结果与试验结果基本相同;该方法能够反映各组成材料在沥青混凝土中所起的力学作用;沥青混凝土的空隙率、沥青胶浆的弹性模量对沥青混凝土的弹性模量有重要影响。

复合材料热传导性能的变分渐近均匀化细观力学模型

为准确预测非均质复合材料的有效热导率和局部温度场分布,采用单胞变分渐近均匀化方法构建了一种新的细观力学模型。首先从非均质连续体热传导变分问题入手,使用变分渐近法将其细观力学模型转换为约束条件下泛函的最小化——取驻值问题;使用有限元法(FEM)推导了离散形式能量泛函的最小化求解过程;根据宏观性能(如全局温度及相应的梯度和波动函数)重构单胞的局部温度场和热通量。采用多个二元复合材料算例验证了所构建理论和程序的有效性和准确性。

混凝土细观力学模型研究:非均质影响

本文在改进的混凝土随机骨料生成技术的基础上,基于连续介质力学的方法,采用非线性损伤本构关系描述混凝土细观各相组成——骨料、砂浆与界面的性能,建立了随机骨料数值模型与相应的细观单元参数选取方法;在算法上,通过对比二维与三维有限元隐式和显式解法求解混凝土细观力学问题所需内存及CPU时间,表明基于有限元显式解法可有效地减少内存及机时的耗费。在此基础上,引入细观各相组分力学性能的Weibull概率统计分布以表征材料的非均质性,进行了系统的研究。结果表明,细观各相组分的非均质性对混凝土力学性能具有重要影响,主要表现特征为材料力学性能的离散性与强度差异性。

金属基复合材料热弹塑性变分渐近细观力学模型

基于变分渐近法建立具有周期性微结构的金属基复合材料(MMCs)细观力学模型及相应的增量方程,以准确预测其典型的热弹塑性行为和初始屈服面。利用细、宏观尺度比很小的特点,对单胞变分能量泛函变化进行渐近扩展,计算得到有效瞬时弹塑性刚度矩阵和热应力矩阵;利用迭代均质化及局域化技术模拟MMCs的非线性热弹塑性性能,并通过有限元技术实现相应的数值模型。算例分析表明:该模型能较好地预测MMCs的初始屈服面,并模拟热弹塑性耦合行为,研究成果为MMCs的进一步研究和实际应用提供了技术支撑。