含损伤演化的TM耦合数值模型及其应用研究

从岩石材料的细观结构层次出发，应用损伤力学和热弹性理论，对热力耦合作用下岩石破裂 过程中热－应力相互作用关系进行了分析. 初步建立了细观岩石热－力(TM)耦合数值模型， 探讨了TM耦合作用下岩石材料的细观结构损伤及其诱发的材料力学性能演化机制，把岩石 热固耦合问题的研究从应力状态分析深入到损伤、破坏过程分析之中. 运用该数值模型对某 硬岩实验室开展的原位尺度实验中的废料处理井间柱稳定性进行了模拟分析，其应力场、岩 石剥离破坏形态及破坏诱发的AE特性等均与实验监测结果表现出了较好的一致性，证 明了该数值模型的合理性和有效性.     

脆性岩石破裂过程损伤与渗流耦合数值模型研究

大量的实验结果表明，脆性岩石的渗透性不是一个常量，而是应力和应力诱发损伤破裂的函数．建立了一个描述非均匀岩石渗流-应力-损伤耦合数学模型(FSD Model)，开发出岩石破裂过程渗流-应力-损伤耦合分析计算系统(F-RFPA^2D)．在该系统中，单元的力学、水力学性质根据统计分布而变化，以体现材料的随机不均质性，材料在开裂破坏过程中流体压力传递通过单元渗流-损伤耦合迭代来实现．该系统能够对岩石试件在孔隙水压力和双轴荷载作用下裂纹的萌生、扩展过程中渗透率演化规律及其渗流-应力耦合机制进行模拟分析．最后，给出两个算例：算例1模拟载荷作用下岩石应力应变-渗透率全过程．模拟结果表明，非均匀性对岩石的应力峰值强度、峰值前后其渗透性演化规律及其破裂机制影响十分明显，模拟结果和实验结果较为一致；算例2模拟孔隙水压力作用下岩石拉伸断裂过程，通过和物理实验对比验证，验证了模型计算结果的可靠性。     

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.     

不同围压作用下非均匀岩石水压致裂过程的数值模拟

从岩石细观非均匀性的特点出发，提出一个描述非均匀材料渗流和破裂相互作用的数值模型。在这个数值模型中，单元的力学、水力学性质根据统计分布而变化，以体现材料的随机不均质性，材料在开裂破坏过程中流体压力传递通过单元渗流，损伤耦合迭代来实现。算例表明，该模型能较好地模拟出岩石类材料在水力压裂作用下，微结构非均匀分布和不同围压比对破裂模式、失稳压力的影响，非均匀性导致试件的开裂压力、失稳压力明显不同，裂纹扩展路径不规则发展，模拟结果和实验结果较为一致。     

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针对红透山深部断层下巷道围岩破坏诱发的涌水现象，以该矿水文地质条件 为基础，建立了岩体水力学模型，应用岩石破裂过程渗流-应力耦合分析系统 (RFPA$^{\rm 2D}$-Flow)模拟研究了深部断层下巷道围岩破坏过程：裂隙形成、扩展到突水通 道最终贯通形成涌水的全过程. 通过对损伤区分布、应力场和渗流场的演化规律进行分析， 揭示了巷道应力重新分布诱发损伤及渗流涌水规律，对涌水通道进行模拟定位，为红透山铜 矿深部巷道支护防渗设计提供了科学依据.     

混凝土三维细观模型的建模方法与力学特性分析

根据混凝土材料的细观组成和结构特点，基于三维Voronoi图形提出了一种简单高效的混凝土细观模型生成方法，利用塑性损伤模型对该细观模型进行了单、多轴应力状态下的准静态分析以及SHPB动态有限元分析。结果表明，数值模拟得到的应力应变曲线和破坏模式与实验结果基本吻合，本文中提出的混凝土三维细观模型可较好地模拟混凝土的静、动态力学特性，为进一步从细观力学角度研究混凝土损伤演化规律和破坏机理提供了模型基础。     

动力损伤后的脆性岩石静力蠕变断裂模型研究

应力波动力扰动下脆性岩石的静力蠕变特性,对深部地下工程围岩变形的评价有重要的实践意义.动力载荷作用导致的局部细观裂纹损伤严重影响脆性岩石蠕变力学行为.基于细观裂纹扩展与应力关系模型、动力扰动损伤演化函数、静动力载荷演化路径函数与黏弹性本构模型,提出一种应力波动力扰动下脆性岩石蠕变断裂特性的宏细观力学模型.其中动力损伤通过控制岩石内部细观裂纹数量变化实现.模型描述了应力波动力扰动下岩石的应变时间演化曲线,解释了岩石动力扰动下蠕变失效特性.研究了不同应力波幅值及周期影响下的脆性岩石应变-时间关系曲线,并通过试验结果验证了模型的合理性.讨论了动力损伤变化形式,突变发生时刻,突变量的大小对岩石蠕变失效特性的影响.分析了应力波幅值、周期对岩石动态动力损伤效应以及蠕变失效特性的影响.主要研究结果:动力损伤的变化值越大,岩石蠕变失效发生时间越短.冲击载荷扰动期间,动力损伤发生的时刻及增加的形式,对动力扰动后的岩石应变及蠕变破坏时间影响很小.动力损伤变化量随应力波幅值增加、周期减小而加速增大.应力波幅值越大、周期越小,岩石发生蠕变失效时间越短.     

岩石爆破损伤断裂的细观机理

基于现有岩石爆破机理和岩石细观损伤力学 ,认为岩石爆破损伤断裂过程包含有爆炸应力波的初期动态损伤演化阶段和后期爆生气体作用下的准静态损伤演化阶段 ,并分别建立了这两个阶段的损伤模型和断裂准则 ,阐述了岩石爆破损伤断裂的细观理论。     

岩石化学腐蚀-围压细观损伤本构模型与离散元模拟研究

基于Lemaitre应变等价性假设理论,假定受水化学-力耦合损伤的岩石微元强度服从Weibull分布,考虑化学腐蚀与围压耦合作用对岩石力学参数的影响,通过核磁共振技术与损伤力学理论,引入细观化学损伤变量与力损伤变量,并认为微元破坏符合SMP准则,建立岩石化学腐蚀-力耦合损伤本构模型,并采用理论推导的方法得出所需的模型参数。同时基于颗粒离散元方法,引入参数半径乘子来改变颗粒间的黏结接触尺寸,从而模拟水化学损伤,采用平直节理模型对水化学作用后的岩石进行三轴压缩模拟,得到了水化学作用和不同围压下的岩石三轴应力-应变模拟曲线。通过对比所构建的岩石化学腐蚀-力耦合损伤本构模型理论曲线、离散元模拟曲线和试验曲线,结果表明三者吻合度较好,能够很好地反映岩石在化学腐蚀和围压耦合作用下的力学特性与破坏特征,并通过离散元方法得到了岩石在三轴压缩过程中裂纹的产生与分布情况。     

岩体中饱和渗流应力耦合模型研究进展

在大坝渗流与控制、各种水工隧洞和交通隧道以及地下各种洞室开挖、采矿工程与油藏开采中的水力劈裂、 岩坡和坝基的稳定性研究等领域中经常会遇到岩体的饱和渗流应力耦合问题.本文对这些领域中的渗流应力耦合问题分为6种力学模型: 等效连续介质模型、 裂隙网络模型、 双重介质模型、 断裂力学模型、 连续损伤力学模型和统计模型.前3种主要从经典的黏弹塑性本构着手考虑, 着重对渗流场的处理, 后3种则是从考虑岩体在耦合作用下发生损伤破裂行为方面切入, 着重于岩体结构内部发生质的改变带来的更加复杂的耦合效应.对这些模型进行了详细的介绍, 指出了这些模型的优缺点与适用范围, 给出了一些有代表性的研究成果, 并对该研究领域中未来的研究方向进行了展望.     

含损伤演化的TM耦合数值模型及其应用研究

基于生物力学中的Wolff法则，发展了一种连续体拓扑优化的新方法. 有待优化的结构 被看作是一块遵从Wolff法则生长的骨骼，把寻找其最优拓扑的过程比拟为骨骼的重建/生 长过程. 采用骨骼的重建/生长规律作为准则更新材料分布，直至达到一个平衡状态并由此 获得结构的最优拓扑. 算例表明了所提出方法的有效性.     

DEVELOPMENT AND APPLICATIONS OF THE ELASTO-PLASTIC CELLULAR AUTOMATON

The paper presents the advancement and applications of the elasto-plastic cellular automaton (EPCA),a simulator for rock mechanics and rock engineering.The most significant feature of EPCA lies in its ...     

Coupled thermo-hygro-mechanical damage model for concrete subjected to high temperatures

Based on the theory of mixtures, a coupled thermo-hygro-mechanical (THM) damage model for concrete subjected to high temperatures is presented in this paper. Concrete is considered as a mixture composed of solid skeletons, liquid water, water vapor, dry air, and dissolved air. The macroscopic balance equations of the model consist of the mass conservation equations of each component and the momentum and energy conservation equations of the whole medium mixture. The state equations and the constitutive model used in the model are given. Four final governing equations are given in terms of four primary variables, i.e., the displacement components of soil skeletons, the gas pressure, the capillary pressure, and the temperature. The processes involved in the coupled model include evaporation, dehydration, heat and mass transfer, etc. Through the process of deformation failure and the energy properties, the mechanics damage evolution equations are established based on the principle of conversation of energy and the Lemaitre equivalent strain assumption. Then, the influence of thermal damage on the mechanical property is considered.     

非饱和多孔介质中热-渗流-力学耦合的混合元法

提出了一个非饱和多孔介质中热-渗流-力学耦合分析的混合有限元 方法. 固相位移、应变和净应力；孔隙水和气的压力、压力空间梯度和Darcy速度；多相混 合介质的温度、温度空间梯度和热流量在单元内均为独立变量分别插值. 基于胡海 昌-Washizu 三变量广义变分原理给出的多孔介质中热-渗流-力学耦合问题控制方程的单元弱形式，导 出了单元公式. 采用共旋公式进行几何非线性分析. 数值结果证明了所提出的单元模拟以 应变局部化为特征的渐进破坏的能力     

A fracture damage model for Jointed rock masses and its application to the stability analysis of dam abutments

Based on continuum damage mechanics, for jointed rock masses, a fracture damage model is presented in this paper. First, the damage tensors are defined through the elastic-flexibility of intact rock and the equivalent elastic-damage flexibility for rock mass. Then, by the self-consistent principle of solid mechanics, the equivalent elastic-damage flexibility tensors involving the interaction between multicracks are deduced. The damage evolution law is proposed involving the mechanism of crack propagation process: frictional sliding, crack kinking, growing of branched tension cracks, interlinking of the microcracks near branched crack tips leading to the breakthrough of macro-cracks and finally the failure of rock mass. Thus the evolution of damage variables reasonably unified with the process of crack propagation is given. Finally, a plastic-brittle damage constitutive relation including brittle coupled strain rate, developed and applied to the stability analysis of complicated rock foundation of a dam in China, is described in this paper.     

单轴拉伸条件下脆性岩石微裂纹损伤模型研究

利用断裂力学、损伤力学和均匀化原理,对脆性岩石单轴拉伸条件下的力学特性进行分析,建立了脆性岩石的微裂纹损伤本构模型.首先对岩石内部微裂纹的统计分布规律进行分析,给出了理论分析过程中微裂纹分布的假设条件,在此基础上,参考已有研究成果,得到含细长微裂纹脆性岩石有效弹性参数的计算公式.然后,对岩石内部单一微裂纹进行断裂力学和损伤力学分析,得到了扩展裂纹尖端的应力强度因子计算公式,在一定微裂纹断裂扩展准则和断裂扩展速率的假设基础上,利用积分原理,得到了岩石整体的损伤变量和损伤演化方程,由此建立单轴拉伸条件下脆性岩石的微裂纹损伤本构模型.最后,通过一花岗岩的单轴拉伸试验结果对微裂纹损伤本构模型进行了验证.     

砌体复合剪压受力特性与数值分析方法

 从砌体细观结构出发，提出了用于砌体复合剪压受力过程模拟的细观力学 模型. 该模型假定砌体是由砂浆、块体及两者之间的粘结带组成的三相复合材料，以此为基 础对砌体三相组成的非均匀性予以表征. 提出了基于弹性损伤力学的本构关系，以最大拉应 力准则和摩尔库仑准则作为损伤发生的阈值，并借助复合材料破坏过程分析(MFPA)程序进 行受力分析. 结果表明，所采用的数值模型和模拟方法能够较好地模拟砌体复合剪压受力破 坏过程，为砌体开裂过程的机理分析提供了一种新的数值方法.     

损伤统计演化方程的性质和数值模拟

通过对一种含成核尺寸效应的损伤统计演化方程性质的分析和数值模拟,揭示了损伤率主要是由微损伤在二维相空间中的前沿的运动所决定的这也就是Kachanov提出的损伤率演化方程的物理基础数值结果进一步显示了含成核尺寸效应模型在损伤发展上与-维模型的区别而且,由几种形式的细观动力学算出的损伤率与损伤的关系简单,可近似拟合为宏观上封闭的形式     

Two scale damage model and related numerical issues for thermo-mechanical High Cycle Fatigue

On the idea that fatigue damage is localized at the microscopic scale, a scale smaller than the mesoscopic one of the Representative Volume Element (RVE), a three-dimensional two scale damage model has been proposed for High Cycle Fatigue applications. It is extended here to anisothermal cases and then to thermo-mechanical fatigue. The modeling consists in the micromechanics analysis of a weak micro-inclusion subjected to plasticity and damage embedded in an elastic meso-element (the RVE of continuum mechanics). The consideration of plasticity coupled with damage equations at microscale, altogether with Eshelby–Kröner localization law, allows to compute the value of microscopic damage up to failure for any kind of loading, 1D or 3D, cyclic or random, isothermal or anisothermal, mechanical, thermal or thermo-mechanical. A robust numerical scheme is proposed in order to make the computations fast. A post-processor for damage and fatigue (DAMAGE_2005) has been developed. It applies to complex thermo-mechanical loadings. Examples of the representation by the two scale damage model of physical phenomena related to High Cycle Fatigue are given such as the mean stress effect, the non-linear accumulation of damage. Examples of thermal and thermo-mechanical fatigue as well as complex applications on real size testing structure subjected to thermo-mechanical fatigue are detailed.