计算机断层扫描技术在混凝土细观力学中的研究进展与热点分析

混凝土作为一种典型非均质多相材料,其宏观性能取决于细观乃至微观结构组成及各组分基本物理力学性能,计算机断层扫描(computed tomography,CT)技术因其无损、高效及高精度等特点,在混凝土细观力学研究中有着得天独厚的优势。综述了光学技术、声波技术及CT技术在混凝土细观力学试验中的研究进展,对比了三者的优势与局限性;从图像获取、图像处理、三维重建与模型建立等3个步骤详细论述了基于CT图像的混凝土细观模型建立;利用CiteSpace软件可视化分析CT技术在混凝土细观力学中的研究热点;对CT技术与数字图像技术在混凝土细观力学的研究进行了总结与展望。

基于精细化数值模拟的EPS轻质土宏细观变形机理研究

EPS轻质土是双固相组分(水泥土与EPS颗粒)、具有特殊细观结构的混合土。当前对其宏观力学特性研究较多,而对细观力学响应规律研究甚少。为此,分别在Mohr-Coulomb模型和Drucker-Prager模型框架内,基于水泥土和EPS材料试验结果规律总结,发展了二者的简单实用本构模型;基于水泥土和EPS材料界面剪切试验,总结了界面剪切硬化/软化规律;对EPS轻质土三轴剪切试验进行精细化数值模拟,再现了EPS轻质土宏观应力-应变响应规律和试样变形模式。基于精细化模拟分析发现,EPS轻质土的整体剪切、局部鼓胀、整体均匀3种宏观变形模式是细观力学响应的结果,EPS颗粒与水泥土两种材料力学特性的差异引起试样内部应力、应变的非均匀分布,EPS颗粒的非均匀排列强化应力、应变非均匀分布程度,两种因素共同决定试样宏观变形的非均匀性。

三维多向编织复合材料非线性本构行为的细观数值模拟

针对三维多向编织复合材料 ,在已建立的单胞几何模型及材料力学性能细观计算力学分析方法的基础上 ,引入 Murakam i的几何损伤理论模拟纤维束的细观损伤行为 ,建立了预报该类材料非线性本构行为数值模拟及细观损伤机理的有限元分析方法。结合实例预报了碳 /环氧四向编织复合材料本构的非线性行为 。

三维多向编织复合材料有效弹性模量的细观计算力学分析

编织复合材料性能预报与材料优化设计研究是编织复合材料研制开发的重要环节。本文在已建立的三维多向编织复合材料单胞几何模型的基础上 ,研究建立了含多相介质单元的有限元分析方法。结合实例预报了碳 /环氧四向编织复合材料的有效性能并和实验结果进行了对比。

岩石随机孔隙结构的三维重构模型与细观渗流分析

将多孔岩石介质的孔隙视为具有毫米量级的随机细观结构,重构岩石三维随机孔隙结构模型,在细观力学的层面上研究孔隙结构对多孔岩石渗流的影响。引入微管渗流模型,利用统计学原理和FLAC3D软件研究多孔岩石介质随机孔隙结构的重构技术和细观渗流数值模拟方法。研究结果表明:多孔岩石孔隙率越大,流体由非稳定流过渡到稳定流的时间愈短,渗透系数和孔隙率具精度很高的线性关系,岩石介质透水性的孔隙率阈值nλ=4.05%,峰前多孔岩石介质的渗透系数主要受体积应力控制,且两者之间具有负指数关系。重构毫米量级的孔隙结构单元,其数值稳定性可以得到保证。

层状盐岩中裂纹扩展规律的细观实验研究

层状盐岩力学行为的研究是地下盐岩储库建设的科学基础。借助可以进行原位加载下实时观测的SEM实验系统,对载荷作用下层状盐岩开裂破坏时的裂纹扩展规律进行研究,并从能量耗散及释放的角度探讨层状盐岩破坏的细观机制。观察发现,层状盐岩中岩盐与泥岩夹杂的细观结构有着较大差异,从而影响着盐岩的宏观力学行为。层状盐岩中裂纹扩展路径一般不是沿着岩盐与夹杂的界面,而是在岩盐或夹杂中扩展。且当裂纹在泥岩夹杂中扩展时,能量耗散明显,形成不规则的裂纹,其分形维数大于1,并有可能出现分叉,此时盐岩承载能力较弱,外载做功还较小时就会导致破坏;当裂纹在岩盐中扩展时,伴随较多的弹性能快速释放,形成较平直的裂纹,其分形维数近似为1,并有可能出现较大张开,此时盐岩承载能力较强,吸收外载做功的能量较高。

统计细观损伤力学和损伤演化诱致突变

材料的损伤和破坏是固体力学中一个十分复杂的基本问题，近年来在这方面的研究从不同的角度取得一系列新的进展。本文较系统地介绍了统计细观损伤力学和损伤演化诱致突变理论，这是把力学与统计物理学及非线性科学结合起来研究材料损伤和破坏问题的一种探索。

纳米力学进展(续)

概述2002年度在纳米力学方面的若干新进展.在纳观计算力学方面,讨论了在微结构质流演化算法、纳米结构中应变的量子效应算法、LMPM并行算法等方面的进展.在纳观实验力学范畴,着重介绍了立体刻蚀的微加载系统.然后,我们展述了在纳米晶体力学、纳米管力学和纳米压痕力学等方面的新进展.

统计细观损伤力学和损伤演化诱致突变（Ⅱ）

材料的损伤和破坏是固体力学中一个十分复杂的基本问题，近年来在这方面的研究从不同的角度取得一系列新的进展。本文较系统地介绍了统计细观损伤力学和损伤演化诱致突变理论，这是把力学与统计物理学及非线性科学结合起来研究材料损伤和破坏问题的一种探索。

三轴剪切条件下冻结粉质粘土变形特性的细观机理分析

利用计算机断层扫描技术 (CT)对冻土在三轴剪切过程中的结构变化进行了动态测试 .通过对CT图像及CT数的分析发现 ,冻结粉质粘土在三轴剪切过程中和蠕变过程一样存在结构的弱化和强化现象 ,孔洞几何特征的改变和孔洞的长大与联合、土粒与土粒、土粒与冰粒之间的相互错动以及滑移是冻土粘塑性变形发展的重要原因 .冻土的结构损伤主要发生在冻土屈服之后 ,这部分损伤不能用CT数的变化来定量计算 .

上海粉质粘土的三轴CT实时细观试验

采用CT实时试验对上海粘性土的三轴应力条件下的特性进行系统的试验研究。研究表明,上海灰色粉质粘土在三轴应力下细观变形基本上分为4个阶段,即微裂纹压密阶段,初期损伤阶段,损伤快速发展阶段和软化破坏阶段。粉质粘土初始状态为不均一的和初始损伤,受力过程中以局部变形为主,灰色粉质粘土的破坏是由于产生局部变形,形成剪切带造成的,裂纹在峰值强度及峰值强度后完全形成的。

改进颗粒组构力学模型模拟筒仓卸粮成拱细观机理

现有研究表明筒仓卸粮成拱和粮食的内外摩擦密切相关,但现行相关离散元模拟采用单一圆形颗粒,模拟粮食的真实接触面积要小很多,不能客观反映卸粮过程粮食的摩擦情况,也较难还原卸粮成拱现象的细观动态过程。该文针对离散元模拟中圆形颗粒的内摩擦力小于真实粮食内摩擦力的缺陷,在已有PFC离散元程序基础上,添加了黏度系数较大的微型颗粒模拟粉尘,建立了一种改进颗粒组构力学模型,采用几何方法判断圆形颗粒间的接触情况,推导出基本单元间力-位移关系。基于典型事故案例和室内试验成果,采用建立的颗粒组构力学模型模拟了卸粮成拱动态过程中圆形大颗粒间以及圆形小颗粒与仓壁之间的力-位移关系。研究表明在卸粮过程中,切应力在剪切位移达到0.3mm的过程中,迅速提高,达到最大值切应力的60%,所得的切应力位移图与其应力特征曲线与试验成果基本吻合。以试验结果曲线各点值为标准值,改进后模拟结果曲线值的标准差相比改进前减小37%,说明曲线相似度更高,利用该模型可更加客观反映筒仓卸粮成拱的动态细观机理。该文提出的改进颗粒组构力学模型,不仅可用于模拟卸粮成拱机理模拟,而且对于模拟散颗粒流动特性、散体-仓壁相互作用机理都具有一定借鉴意义。

大坝混凝土试件三维细观力学并行计算研究

基于混凝土材料基本特性及其有关试验研究结果,给出了混凝土材料的损伤演化关系、及其抗拉强度和弹性模量的应变率强化定律,建立了既考虑细观损伤弱化又计及应变率强化效应的混凝土非线性有限元静动力学虚功方程。根据FEPG有限元语言的规则,编写了混凝土试件细观静、动力学方程的描述文件及位移、应力场的算法文件,并基于PFEPG软件平台开发了混凝土试件的三维细观数值并行计算程序。利用三维随机骨料随机参数模型对混凝土试件弯折损伤破坏过程进行了细观数值模拟。其计算结果与试验结果相吻合,显示了该算法及所编并行程序的有效性。

PBX断裂力学行为研究进展

从常用实验方法、细观断裂模式、宏观断裂力学以及动态断裂方面,概述了近年来国内外关于PBX断裂力学行为的研究状况;介绍了PBX宏观和细观断裂特征及表征手段;阐述了细观结构、力学特性、温度和加载率对PBX断裂行为的影响。指出应开展PBX细观微裂纹萌生和扩展、宏观起裂机理研究,及动态加载下PBX裂纹扩展行为研究,建立适合PBX材料特性的复合型断裂准则。附参考文献51篇。

一个新的损伤演化方程及其在层裂中的应用

采用统计细观损伤力学方法,基于延性金属断裂过程的孔洞演化机理,提出一个新的损伤演化方程,该方程在一定的条件下与由空心球体胞模型导出的损伤方程形式相同。在此基础上,将新的损伤演化方程编入一维Lagrange有限差分动力学程序,对OFHC铜的平板对称正碰撞层裂实验进行了数值模拟,计算结果与实验吻合得较好。

复杂微力－电系统的细微尺度力学

现代高新技术的崛起，提出了大量新的经典力学所不能完全包容的力学问题。这将是现代应用力学发展的巨大动力。微电子技术中微电子材料、器件、系统和微电子－机械系统（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ，ＭＥＭＳ）所组成的复杂微力－电系统，是跨世纪发展的新科技方向，本文简要介绍了复杂微力，电系统的工业技术背景和发展；综述了这一领域存在的力学问题，主要讨论细微尺度下的结构力学与破坏力学。并评介与展望了这一新的力学领域的研究状况和发展趋势。

基于并行PSO算法的岩石细观力学参数反演研究

用颗粒流方法(PFC)模拟岩石细观参数的校准过程主要采用反复试验,既依赖于经验又费时。提出了一种基于并行粒子群优化(PSO)算法的细观力学参数反演方法,该方法 PSO算法中微粒的适应值取宏观力学参数模拟计算值和试验值间的误差平方和,采用Open MP技术实现了PSO算法的并行计算。实例计算结果表明,以反演结果作为计算参数,宏观力学参数模拟计算值与试验值相比,相对误差普遍低于4%;敏感性分析表明,细观参数之间不独立,岩石宏观力学参数与细观力学参数之间存在高度非线性关系;计算效率分析表明,并行PSO算法是一种高效自动的PFC模型细观力学参数反演方法。

混凝土随机损伤本构关系的数值模拟研究

从细观力学层次出发,把混凝土看作是由骨料、砂浆基质及两者之间的界面过渡区组成的三相复合材料,通过引入细观损伤变量及损伤变量的演化规律模拟了混凝土的破坏过程。首先生成骨料位置随机分布且颗粒级配符合Fuller曲线的数值试件,然后对每一相材料分别赋以服从Weibull分布的随机力学参数(弹模、强度和泊松比等)并规定相应的破坏准则,将通过上述途径获得的混凝土数值试件导入有限元软件Abaqus进行数值模拟。与实验结果的对比显示,本文提出的随机损伤数值模型能够较好地模拟混凝土板式试件在单拉、单压下的应力-应变关系曲线以及混凝土中裂纹的萌生、开裂过程。

混凝土三维细观力学模型分析

混凝土的级配及骨料含量对其宏观力学特性有直接影响,选择合适的骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟的前提,在已提出的三维随机凸多面体骨料模型的基础上选择合适的试件模型并进行有限元剖分,利用并行计算技术分别对湿筛混凝土试件三维球形骨料和凸多面体骨料细观模型进行了静载弯拉破坏数值模拟对比计算。计算结果表明,三维凸多面体骨料生成算法是可行的,能够满足混凝土三维细观力学模拟的需要。

强夯作用下碎石土颗粒破碎细观机理研究

碎石土在围海造地和山区填谷等工程中,作为回填料被大量使用,强夯法是处理碎石土地基的较优方法,深入研究碎石土在强夯作用下的破碎机理具有重要的现实意义。运用颗粒破碎试验对碎石土的强夯加固细观机理开展研究,选择相对颗粒破碎率作为颗粒破碎的量化指标,揭示了相对颗粒破碎率与围压的正相关关系,表明强夯造成的压力越大,颗粒破碎程度越深。试验发现碎石土峰值内摩擦角会随着颗粒破碎的增加而降低,这一强度参数的弱化在碎石土的工程处理中应引起充分的重视。试样干密度和孔隙比分别随着相对颗粒破碎率的增加而线性增加和减小,体现了碎石土随着强夯作用而逐渐密实的过程,这是强夯提高碎石土工程性能的主要细观机理。颗粒破碎提高了细颗粒比例,明显改善了碎石土的颗粒级配情况,使之更易达到密实状态,这也是强夯处理碎石土的重要细观机理。