基于宏—细观模型的石漫滩水库重力坝开裂机理研究

为了弄清石漫滩水库混凝土重力坝坝体运行期裂缝形成机理,采用APDL语言中的ESEL命令并配合局部坐标系的旋转来完成随机骨料的投放方法,构建了石漫滩大坝^(#)9非溢流坝段的三维宏-细观有限元模型,通过模拟计算,分析了运行期大坝的裂缝成因。结果表明,该方法可快速生成三维球形及多面体形骨料,大大提高了骨料的生成效率;采用宏-细观模型计算的结果与大坝的实际裂纹分布情况更为符合,周期性的冬季快速温降及夏季快速温升对运行期混凝土坝开裂的影响不容忽视。

高渗透压脆性岩石蠕变宏-细观力学模型研究

高渗透压对深部地下工程脆性岩石蠕变力学特性有着重要影响。然而,能够解释高渗透压作用脆性岩石完整减速、稳态及加速三级蠕变过程中,细观裂纹扩展与宏观变形关系的宏细观力学模型研究很少。基于考虑含有初始裂纹与新生成翼型裂纹影响的裂纹尖端应力强度模型,引入渗透水压与初始裂纹及新生成翼型裂纹之间的力学关系,建立了考虑渗透水压作用的裂纹尖端应力强度模型;然后结合亚临界裂纹扩展法则,与裂纹及应变损伤关系模型,推出了考虑渗透水压影响的脆性岩石蠕变裂纹扩展与宏观变形关系的宏细观力学模型。当施加轴向应力小于岩石裂纹启裂应力时,岩石近似表现为线弹性变形;当施加轴向应力大于裂纹启裂应力且小于岩石峰值强度,岩石表现为塑性蠕变变形。研究了不同渗透压作用下,分级轴向应力加载岩石蠕变应变时间演化曲线,并通过试验结果验证了模型的合理性。分别讨论了恒定渗透压与分级渗透压,对脆性岩石蠕变过程中裂纹长度、裂纹扩展速率、轴向应变及轴向应变率的影响。该模型为高渗透压深部地下工程围岩稳定性评价提供了重要理论依据。

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。

基于宏—细观模型的疲劳裂纹萌生数值模拟

为了研究材料微观特性对结构疲劳寿命的影响,提高结构疲劳寿命预估精度,根据Tanaka-Mura单一微裂纹及裂尖微裂纹萌生寿命预测模型,模拟疲劳载荷下某马氏体钢孔边疲劳裂纹萌生寿命。利用泰森多边形生成法,生成代表多晶结构的二维特征单元。考虑晶粒内相互垂直的多滑移特性以及已起裂裂纹对相邻晶粒裂纹萌生的影响,建立微裂纹起裂与扩展的改进模型。中心孔平板试件疲劳寿命的数值模拟结果与试验值吻合良好,说明给出的改进宏细观疲劳寿命预测模型的有效性。

基于宏细观统一本构模型的复合材料湿热应力分析

基于有限体积直接平均方法(Finite-volume direct averaging micromechanics,FVDAM),建立了一种从复合材料细观到宏观的统一本构模型。根据均匀化方法和连续介质力学构建复合材料的宏细观相关矩阵,通过该矩阵将细观组分材料的损伤性能传递到宏观复合材料中,计算了湿热环境中复合材料的细观应力场。结果表明:FVDAM采用子胞边界平均位移作为未知量,使本构模型中的未知量总数大为减小,相对提高了模型的效率,但这些方程都是建立在平均意义上的,因此预测的应力场存在一定的不连续性;湿热环境下,前期的吸湿有缓解热残余应力的作用,随着时间的增加,吸湿的影响逐渐超过热残余应力的影响。

三轴压缩下岩石的宏细观蠕变损伤演化研究

从细观力学角度出发,研究三轴压缩条件下岩石蠕变特性,用反映岩石宏观蠕变损伤的基准量联系细观参量,建立岩石宏细观力学模型,求得微裂纹尖端的应力强度因子及宏细观蠕变关系式,对选取的砂岩进行算例分析与试验分析,探究微裂纹扩展规律及岩石的蠕变特性。结果表明,应力差与初始裂纹倾角对应力强度因子值有显著影响,当倾角φ增大到一定值时,应力强度因子K I出现负值,即微裂纹将不再发生纯I型裂纹破裂,理论曲线与试验曲线走势基本一致,可有效反映岩石的蠕变过程,研究结果为长期服役的基础岩体工程稳定性控制提供了一定的理论基础。

基于CT扫描试验及数字图像处理的混凝土宏细观建模研究

混凝土的宏观性能指标与内部细观结构紧密相关,探寻混凝土细观结构参数与宏观性能指标及其破坏特性之间的关系一直是多领域关注的热点问题。基于CT断层扫描技术观测混凝土内部细观结构并通过数字图像处理技术和提取细观参数构建宏细观结合的混凝土分析模型是近年来颇受关注的新途径。综述了目前国内外基于CT扫描与数字图像处理技术进行混凝土宏细观建模的相关研究进展,提出细观结构探测、数字图像处理以及宏细观建模的关键问题和发展方向。

细观几何结构对复合材料初始屈服面的影响

采用宏—细观统一的弹塑性本构模型分析了多轴载荷作用下不同纤维形状、不同纤维排列方式对金属基复合材料初始屈服面的影响。研究表明:在纵向正应力作用下,圆截面纤维复合材料的初始屈服应力基本上与方形截面纤维复合材料的初始屈服应力相等;不同纤维排列方式的复合材料初始屈服应力基本上相同。当存在横向应力或纵横剪切应力时,圆截面纤维复合材料初始屈服面在方形截面纤维复合材料初始屈服面之内;六角形排列时最容易屈服,而方形对角排列屈服应力最高。

高渗透压作用脆性岩石宏细观力学本构模型

高渗透水压作用驱动的脆性岩石内部细观裂纹扩展,对岩石宏观力学特性研究有着重要意义。提出一种考虑渗透水压驱动裂纹扩展作用下的,脆性岩石应力–应变本构关系宏细观力学模型。该模型考虑了渗透水压对岩石初始裂纹面与新生成翼型裂纹面的影响。渗透水压弱化了初始裂纹面法向应力作用,同时强化了新生成翼型裂纹扩展驱动力,这2种裂纹面渗透水压作用构成了渗透水压驱动裂纹扩展机制。其中,在新生成翼型裂纹扩展驱动力的理论分析中,引入一个渗透水压导致的翼型裂纹面张拉力变量F_p,该变量对于渗透水压导致脆性岩石裂纹扩展直至失效起到了关键作用。然后,结合基于宏细观损伤定义建立的裂纹扩展与宏观变形联系,建立渗透水压诱发细观裂纹扩展导致的应力–应变本构关系。研究渗透水压对应力–应变关系曲线的影响,并对比试验结果,验证了理论模型的合理性。分析渗透水压导致的翼型裂纹面张拉力,以及翼型裂纹面张拉力与初始裂纹面张拉力比值(F_p/F_w),随裂纹扩展变化的规律。讨论渗透水压对裂纹启裂应力与峰值强度的影响。

基于虚位移原理的宏细观统一本构模型

结合虚位移原理和宏细观统一本构模型的基本理论提出了一种宏细观统一本构模型.该模型将宏观位移表示为宏观应变与细观位移的线性组合,然后应用虚位移原理建立基本方程,采用有限元法进行求解,得到宏观应变增量和应力增量的关系式.通过算例分析对比了模型与FVDAM(finite volume directe aver-age method)的应力场和计算效率,结果表明模型不仅具有较高的精度而且提高了计算效率.采用模型预测了复合材料的偏轴弹性模量和弹塑性应力应变响应.其中偏轴弹性模量与转轴公式计算结果相符,而弹塑性应力应变响应与实验结果吻合.

基于微裂纹演化的岩石蠕变损伤与破裂过程的数值模拟

传统的岩石唯像蠕变模型忽略了岩石内在细观结构的时效损伤演化机制,无法从深层次上揭示复杂工程条件下岩石蠕变特性和时效破裂机理。基于连续介质力学理论,提出了一种表征真实岩石介质的宏-细观双尺度概念模型;依据细观尺度下微裂纹瞬时扩展和亚临界扩展的物理机制,运用损伤力学与断裂力学理论,建立了基于微裂纹演化的岩石细观蠕变损伤本构方程及破裂准则;采用Matlab软件编程将该细观模型嵌入到Comsol宏观有限元模型中,实现了一种能够模拟岩石蠕变损伤与破裂演化全过程的数值方法。在此基础上,利用建立的数值方法对双轴压缩条件下岩石蠕变过程进行了数值模拟,模拟结果很好地表征了岩石典型的3阶段蠕变特征,并以一种物理真实、可视化的方式深入地揭示了岩石从细观时效损伤演化至宏观破裂的全过程。

纤维增强金属基复合材料弹塑性行为分析

在分析复合材料宏、细观场量之间联系的基础上 ,基于复合材料细观结构周期性假设 ,选取适当的代表性体积元 ,采用弱化的边界连续性与周期性条件 ,通过对细观力学方程的建立与求解 ,建立了一种纤维增强金属基复合材料宏、细观统一力学模型。该模型建立起了宏、细观场量的联系 ,获得了宏观应力 -应变关系。试验及理论计算表明 ,该模型能够较好地预测复合材料宏观弹塑性性能。利用该模型分析了复合材料宏观弹塑性应力 -应变响应以及细观几何结构特征对宏观弹塑性性能的影响。此外 ,将该模型与常规的结构分析方法 (如有限元法 )相结合 ,能够开展对金属基复合材料结构的弹塑性行为分析。

基于单轴受压的岩石三轴应变指标确定方法研究

在单轴受压的基础上可以采用Mohr准则或Hoek-Brown准则确定三轴受压下岩石的强度指标,但应变指标的确定一直没有较好的求解办法。根据岩石在弹性极限点(损伤门槛值)处微裂纹密度变化梯度为一常量的特点,运用岩石损伤演化的宏细观损伤复合模型,通过岩石应力-应变曲线上临界损伤值及门槛损伤值的相关性,由单轴受压下在弹性极限强度点处的损伤门槛微裂纹密度值和微裂纹密度变化梯度,得到不同围压下在弹性极限强度点处的临界损伤值,应用Mohr-Coulomb准则或Hoek准则得到不同围压下的岩石峰值强度,进而得到相应的应变指标;推导由岩石单轴受压指标确定三轴受压指标的计算公式,通过计算实例和试验验证公式的合理性。

基于裂纹扩展脆性岩石动力压缩力学特性研究

动态压缩荷载作用下,脆性岩石内部动态细观裂纹扩展特性,对岩石宏观动态力学特性有着重要的影响。然而,对岩石内部动态细观裂纹扩展与宏观动态力学特性的关系研究较少。基于准静态裂纹扩展作用下的应力-应变本构模型、准静态与动态裂纹扩展断裂韧度关系、裂纹速率与应变率关系模型及应变率与动态断裂韧度关系,提出了一种基于细观力学的动态应力-应变本构模型。其中裂纹速率与应变率关系,是根据裂纹长度与应变关系的时间导数推出;应变率与动态断裂韧度关系,是根据推出的裂纹速率及应变率关系,与裂纹速率及断裂韧度关系相结合而得到。研究了应变率对应力-应变本构关系及动态压缩强度影响。并通过试验结果验证了模型的合理性。讨论了岩石初始损伤、围压、模型中参数m、ε0和R对应力-应变关系、动态压缩强度和动态弹性模量的影响。研究结果可为动态压缩荷载作用下深部地下工程脆性围岩稳定性分析提供了一定的理论支持。

多尺度水泥基材料渗透性与孔隙关系模拟研究

水泥基材料是以水泥为基本胶结材料的多孔介质,孔隙率、孔隙尺寸及结构决定其渗透特性。对于低渗透性水泥基材料,物理测定其水力渗透系数较困难。为此,从细观尺度着手,基于向上扩展多尺度法,随机生成不同孔隙率的渗流三维模型,采用分级计算、逐级逼近方式,实现细观与宏观模型材料参数传递;应用图型结构与Dijkstra算法,判断孔隙连通性,研究了水泥基材料渗透性与其孔隙参数的关系。研究结果表明:①等效渗透系数随孔隙宽度的增加而增大,与孔隙尺寸的平方近似成正比。②孔隙的连通性随着孔隙率的增大而增强,有效孔隙率随之提高,等效渗透系数与有效孔隙率成二次函数关系。③当总孔隙率小于或等于0.2时,孔隙网络将不再连通,水泥基材料可视为不透水介质。

镁合金带内筋筒形件热强旋织构演变模型构建

镁合金塑性变形过程中易形成织构,带内筋筒形件热强旋成形时的热变形、内筋结构等对织构的影响规律复杂。通过宏观成形模拟获得材料的热强旋变形场信息,采用插值算法及宏-细观耦合方法构建织构演变模型,研究镁合金带内筋筒形件热强旋过程中的织构演变,探讨旋压件壁部及筋部变形织构的差异。结果表明,热强旋过程中坯料的基面板织构将逐渐转变为旋压件的基面纤维织构,且晶粒c轴将由平行于管坯切向朝平行于旋压件径向偏转,壁部相比筋部晶粒具有更大的偏转角度;以最大织构强度位置的偏转角度及极图中最大极密度作为评价指标进行模型可靠性分析,壁部及筋部预测值与试验值的相对误差均小于10%,所构建的宏-细观耦合模型准确地预测了织构类型及强度的转变。