基于微-细观机理的混凝土疲劳损伤本构模型

该文致力于混凝土疲劳损伤发展机理的微细观解释. 以速率过程理论为基础,通过考虑裂纹断裂过程区中的水分子动力作用,在细观尺度上建立了具有物理机理的疲劳损伤能量耗散表达式. 结合细观随机断裂模型,以宏观损伤力学为框架,建立了疲劳损伤演化方程. 通过数值模拟,计算了单轴受拉时的疲劳损伤演化以及不同加载幅度下的疲劳寿命. 与相关试验结果的对比显示出该文模型能够很好地表现混凝土材料的疲劳损伤演化过程.      

THE FATIGUE CONSTITUTIVE MODEL OF CONCRETE BASED ON MICRO-MESO MECHANICS

该文致力于混凝土疲劳损伤发展机理的微细观解释. 以速率过程理论为基础,通过考虑裂纹断裂过程区中的水分子动力作用,在细观尺度上建立了具有物理机理的疲劳损伤能量耗散表达式. 结合细观随机断裂模型,以宏观损伤力学为框架,建立了疲劳损伤演化方程. 通过数值模拟,计算了单轴受拉时的疲劳损伤演化以及不同加载幅度下的疲劳寿命. 与相关试验结果的对比显示出该文模型能够很好地表现混凝土材料的疲劳损伤演化过程.     

混凝土黏塑性动力损伤本构关系

从静力弹塑性损伤本构关系的基本框架出发, 综合考虑塑性应变与损伤 演化的率敏感性, 建立了能够较为全面地描述混凝土在动力加载条件下非线性性能的混凝土 黏塑性动力损伤本构模型. 为了考虑塑性应变的率敏感性, 基于Perzyna理论推导了有效应 力空间黏塑性力学基本公式, 采用改进的Perzyna型动力演化方程, 将损伤静力演化方程推 广到动力加载情形. 基于并联弹簧模型, 从概率论的角度推导给出了一维损伤静力演化方程, 并基于能量等效应变的基本概念将其推广到多维损伤演化. 利用数值模拟, 计算得到了 混凝土在不同应变率下的应力应变全曲线, 同时得到了一维动力提高因子和二维动力强度包 络图, 数值结果与试验结果的对比表明了该模型的有效性.     

一个高周疲劳损伤演化修正模型

将连续损伤力学应用到疲劳问题中, 得到合理的疲劳损伤演化方程,被认为是预测疲劳寿命最有效的方法之一. 在研究Lemaitre最新疲劳损伤演化方程基础上, 根据试验数据提出了一个修正的高周疲劳损伤演化方程, 该方程可以考虑应力幅、平均应力等影响因素. 以2A12-T4铝合金为例, 得到了修正模型的材料常数. 将该修正模型以UMAT子程序形式嵌入ABAQUS主程序, 计算了两种构件14种不同受载情况下的疲劳寿命, 所得计算寿命与试验结果误差均值约15%, 说明修正的疲劳损伤演化方程可以很好地计算金属构件的高周疲劳寿命.      

基于能量耗散分析的混凝土随机疲劳损伤模型

基于微-细观随机断裂模型(MMSF)发展了一类混凝土随机疲劳损伤模型。该模型将MMSF中的微弹簧视为一能量耗散单元并考察了其跨尺度的能量耗散过程。在纳观尺度,引入速率过程理论描述裂纹的扩展速度,并基于裂纹层级模型和自相似假定完成从纳观尺度到微观尺度的过渡。由此建立了微弹簧在疲劳荷载作用下的多尺度耗能描述。此外,为了考虑疲劳加载中混凝土多条裂纹的相互影响,引入了包含损伤扩展效应和损伤愈合效应的疲劳损伤因子来修正耗能表达。通过与相关试验的对比,证明了该模型能反映疲劳荷载作用下混凝土的主要力学行为,如疲劳损伤三阶段特点、疲劳寿命的离散性和疲劳寿命随加载频率的变化趋势等。     

柔性路面的各向异性疲劳损伤数值模型研究

根据柔性路面在交通荷载作用下的力学响应特点,推导了一个各向异性疲劳损伤本构方程,并基于ABAQUS软件及其二次开发平台,建立了考虑各向异性疲劳损伤的路面结构有限元模型。通过建立的模型计算车辆作用下路面结构的疲劳寿命,其结果与试验数据吻合良好,误差最高仅为3.8%,证明该模型精确可靠。最后,分析了疲劳损伤的演化规律,以及路面结构参数对疲劳性能的影响。结果表明,路面纵向疲劳损伤演化速率比横向大得多,随着车辆循环作用,路面结构的各向异性逐渐增强,进而又加剧疲劳损伤的演化。另外,沥青层越厚、土基弹性模量越大,路面疲劳损伤演化得越慢;而当土基较弱、沥青层较薄时,增加级配碎石层厚度可以显著延缓柔性路面的疲劳开裂。     

一种基于材料韧性耗散分析的疲劳损伤定量新方法

依据疲劳过程中结构钢力学性能的变化规律,从反映疲劳损伤机理、对损伤过程表现敏感且便于实验测试等方面对上述材料弹性、塑性、强度和韧性等参量进行综合考察后指出,韧性是一个适合作为疲劳损伤表征的力学参量,并进一步建立了韧性随疲劳损伤演化的耗散模型。从交变载荷下材料韧性耗散规律出发,结合疲劳损伤的能耗过程分析,系统研究并提出了以韧性为基本参量的疲劳损伤变量、损伤临界值、损伤演化方程和累积损伤模型,据此建立了一种新的疲劳损伤定量方法,并在实验中得到了验证。通过与其它方法比较表明：根据韧性耗散定义损伤变量优于基于延性、强度和弹性模量变化的损伤度量方法,由此得到的累积损伤模型较Ｍｉｎｅｒ线性法则与Ｍａｎｓｏｎ双线性累积损伤法则更符合实验结果。因此,上述疲劳损伤定量方法可为现阶段工程结构的抗疲劳设计与寿命估算提供新的研究手段     

基于固有耗散的材料疲劳性能快速评估方法

材料疲劳损伤的累积过程是一个伴随着温度变化的能量耗散过程. 相比于疲劳过程中试件的局部温升,固有耗散是材料能量变化的直接反映,与材料微观结构演化联系也更为紧密,因此以材料的固有耗散作为疲劳损伤指标具有更加明确的物理意义. 基于对试件表面温升的一维双指数回归,构建了一种材料固有耗散的计算模型,并在此基础上提出了一种快速评估材料疲劳性能的能量方法. 利用该能量方法,对FV520B 钢的疲劳性能进行了实验研究,并对实验结果进行了分析与对比,从而证明了该能量方法及计算模型的可行性和有效性.      

基于CT扫描的环氧树脂基混凝土裂缝观测与冲击损伤演化研究

环氧树脂基混凝土是一种新型路面铺装材料。本文估算了道路使用过程发生"跳车"现象时货车车轮对路面产生的冲击荷载,根据计算结果,利用落锤冲击试验机对含有不同程度初始损伤的环氧树脂基混凝土试件进行多次冲击试验,研究其冲击疲劳现象。为了准确描述环氧树脂基混凝土的初始损伤,采用CT(计算机断层)扫描技术重构了试件的立体图像,对其中的内部裂缝进行了统计,建立了初始损伤裂缝体积占试件体积的百分比与基于材料弹性模量衰减的损伤变量之间的关系。通过追踪经受一定次数冲击后试件的弹性模量,分析了不同程度初始损伤下环氧树脂基混凝土的冲击损伤随冲击次数的变化规律;结合多次冲击荷载下环氧树脂基混凝土弹性模量的衰减,研究了初始损伤对环氧树脂基混凝土冲击疲劳过程中损伤演化规律的影响。     

AN ENERGY APPROACH TO RAPIDLY ESTIMATE FATIGUE BEHAVIOR BASED ON INTRINSIC DISSIPATION

材料疲劳损伤的累积过程是一个伴随着温度变化的能量耗散过程. 相比于疲劳过程中试件的局部温升,固有耗散是材料能量变化的直接反映,与材料微观结构演化联系也更为紧密,因此以材料的固有耗散作为疲劳损伤指标具有更加明确的物理意义. 基于对试件表面温升的一维双指数回归,构建了一种材料固有耗散的计算模型,并在此基础上提出了一种快速评估材料疲劳性能的能量方法. 利用该能量方法,对FV520B 钢的疲劳性能进行了实验研究,并对实验结果进行了分析与对比,从而证明了该能量方法及计算模型的可行性和有效性.     

金属结构材料腐蚀疲劳寿命预测模型的研究进展

腐蚀疲劳是工业装备的主要失效模式之一.随着新技术的不断发展,航空航天、轨道交通、海洋设施等重大装备向着高可靠性、长寿命及智能化方向发展,亟需准确、高效的腐蚀疲劳寿命预测方法.论文对金属材料的腐蚀疲劳损伤机理进行了简要总结并对寿命预测模型进行了系统归纳与评述,提出未来的研究趋势与方向.具体地,首先介绍了腐蚀坑的萌生和生长、裂纹萌生及扩展的机理;其次总结了预腐蚀疲劳的断裂力学及损伤力学寿命预测模型,再次归纳了腐蚀疲劳的断裂力学、损伤力学及数据驱动寿命预测模型;进一步地,综合概括了现有寿命预测模型的优点和不足;最后,基于当前的研究指出未来可能的发展方向,一方面可以借助三维成像技术实现蚀坑向裂纹转变阶段和短裂纹扩展阶段的可视化研究,以改进现有的断裂力学模型;另一方面可以建立新型的多尺度多阶段寿命预测模型或利用新兴的数据驱动-物理融合方法实现腐蚀疲劳寿命预测.     

疲劳损伤问题中有效应力的一种定义

有效应力是损伤力学中的一个重要概念,这个概念的提出为用无损状态下的本构方程描述有损伤材料的行为提供了有效手段.本文探讨损伤力学中有效应力的定义,通过对损伤演化规律的分析,指出有效应力的一般定义不适用于疲劳损伤问题.本文认为,疲劳问题中的有效应力应该以等效寿命为基础,并根据剩余寿命的概念引入了疲劳损伤问题中有效应力的一种定义.     

纤维加强金属基复合材料热机械疲劳模型的研究进展

纤维增强金属基复合材料的热机械疲劳(thermomechanical fatigue 简称TMF)特性的研究在近年受到高度重视.本文根据国内外近期进行的理论研究以及获得的主要成果作一概要介绍.对于热机械循环特性,主要介绍基于细观力学方法的轴向性质模型,以及基于断裂与损伤理论的横向性质模型.对于热机械疲劳性能研究,结合横向性质导出两种热机械疲劳模型,然后分析基体的细观结构对疲劳寿命的影响.      

混凝土疲劳刚度衰减规律试验研究

对C15混凝土进行了大量的静载及恒幅疲劳试验研究，分析了疲劳加载过程中混凝土的刚度衰减规律，并以循环卸载割线弹性模量的衰减率为损伤因子建立了疲劳寿命与循环卸载割线弹性模量的数学模型，提出了通过较少循环的微损试验结果来预测混凝土疲劳寿命的方法．     

混凝土破坏理论研究进展

本文综述了混凝土的材料性质、破坏特点及机理,回顾了断裂力学与损伤力学在混凝土材料破坏研究中的应用,对当前混凝土破坏研究的主要问题和今后方向进行了讨论与展望。      

基于一类非局部宏-微观损伤模型的混凝土典型试件力学行为模拟

混凝土是一类典型的准脆性材料, 其受力过程中的非线性分析与裂纹模拟依然是具有挑战性的问题. 经典的断裂力学与损伤力学分别从间断与连续的视角对裂纹拓扑进行了描述, 是早期人们研究固体破坏问题的有力工具. 21世纪以来, 相场理论和近场动力学在预测裂纹的萌生、扩展与非线性分析方面取得了重要的进展. 最近, 结合统一相场理论与近场动力学的基本思想, 发展了一类非局部宏-微观损伤模型. 该模型引入物质点偶的概念来刻画由于变形引起的微细观损伤, 对微细观损伤在作用域中进行加权平均得到定量描述物质不连续程度的拓扑损伤. 通过具有物理机制的能量退化函数, 将拓扑损伤嵌入到连续介质-损伤力学的框架中, 这使得该模型在进行非线性分析的同时可以自然地进行裂纹模拟, 而毋须预设初始裂纹与裂纹扩展路径. 本文考虑细观物理参数的空间变异性, 采用非局部宏-微观损伤模型进行混凝土试件受力全过程的精细化模拟. 通过一维建模标定模型细观参数, 并探讨了细观参数与混凝土材料细观物理-几何特性之间的内在关联, 在此基础上采用二维模型进行精细化分析. 进而, 考察了材料参数空间变异性对混凝土单轴受拉试件和带缺口三点弯曲试件力学行为的重要影响. 本文的研究工作为非局部宏-微观损伤模型细观参数的试验标定与复杂应力状态下混凝土等准脆性材料的非线性力学行为研究提供了有意义的参考.      

冻融和疲劳对预应力受弯构件损伤的影响

通过15根预应力及普通混凝土试验梁在经历不同冻融循环次数后的疲劳试验, 探索试验梁 相对动弹模衰减规律, 以相对动弹模为损伤变量, 通过方差分析方法定量分析冻融和疲劳两 种因素对构件损伤的影响. 研究表明试验梁在冻融和疲劳荷载双因素作用下, 初期以冻融损 伤为主, 之后很快发展为以疲劳损伤为主, 疲劳损伤是构件的主要损伤因素. 施加预应力或 提高预应力度对试验梁疲劳损伤有较明显的抑制作用, 将缩短试验梁全寿命中以疲劳损伤为 主的时间.     

Damage accumulation model for monotonic and dynamic shear fracture of asphalt-stone adhesion

A damage accumulation model for shear fatigue of asphalt-stone adhesion was developed with the aid of experimental data obtained from monotonic and dynamic force-controlled tests. Constant static- and stress-rate monotonic tests and cyclic fatigue tests were performed on the special designed specimens of double-layered-sandwich using dynamic thermal mechanics analyzer. Experimental results showed that it was feasible to describe monotonic and cyclic tests of stress-controlled mode using one single damage accumulation model based on stress–time path, which makes it possible to reduce the number of specimens tested and time-consuming fatigue tests are no longer necessary, since the same information can be obtained from monotonic test data without loss of accuracy. It also found that the bonding fracture in shear mainly attributes to cohesive failure through binder interlayer due to extensive creep deformation.