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.     

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.     

油水井水泥环在冲击载荷作用下的损伤分析

 冲击整形扩径工艺是修复油水井套管损坏的常用技术，根据冲击整形的施工工艺和波 动理论，建立了套损局部位置处水泥环的损伤力学模型，以有限变形理论为基础，采用悬臂 梁力学模型，分段研究了冲击整形时钻杆屈曲的平衡位形及对套管、水泥环产生 的冲击力. 结合水泥环的应力状态, 根据脆性 材料的Mazars损伤模型，建立了水泥环的损伤力学模型. 并分析了水泥环的损伤 状态. 通过与现场测试结果对比，理论计算与实测结果误差在2.7%左右.     

混凝土化学-力学耦合作用的非局部损伤模型

提出了混凝土化学损伤和力学损伤的耦合模型.用损伤变量表示的本构关系模拟混凝土力学性能.分析了化学侵蚀下混凝土损伤发展过程.研究表明,应力软化造成混凝土局部损伤是结构失效的根源.局部化学损伤出现的时候,平衡微分方程不能满足.为了解决这个问题,采用了非局部损伤模型.试验和有限元计算结果表明,混凝土化学-力学耦合作用的非局部损伤模型能够较好地描述受化学侵蚀与荷载共同作用的损伤状态.     

Biomechanics of stem cells

干细胞生物力学作为生物力学的重要分支和前沿学科,近年来在力学-生物学、力学-化学耦合等方面取得了重大进展,已成为生物力学乃至生物医学工程最活跃的领域之一,并对发生物学、干细胞生物学、组织修复、再生医学等相关领域产生重要影响.干细胞具有独特的力学性质,可感知、传递、转导和响应生理力学微环境的改变,从而调控干细胞的生长、分化等功能,体现出典型的力学-生物学耦合特征.本文将对干细胞的力学性质与细胞力学模型、在体力学环境对干细胞生长和分化的影响、干细胞对外界力学刺激的响应等方面加以综述.     

干细胞的生物力学研究

干细胞生物力学作为生物力学的重要分支和前沿学科,近年来在力学-生物学、力学-化学耦合等方面取得了重大进展,已成为生物力学乃至生物医学工程最活跃的领域之一,并对发育生物学、干细胞生物学、组织修复、再生医学等相关领域产生重要影响.干细胞具有独特的力学性质,可感知、传递、转导和响应生理力学微环境的改变,从而调控干细胞的生长、分化等功能,体现出典型的力学-生物学耦合特征.本文将对干细胞的力学性质与细胞力学模型、在体力学环境对干细胞生长和分化的影响、干细胞对外界力学刺激的响应等方面加以综述.     

M积分与夹杂/缺陷弹性模量的显式关系

M积分在材料构型力学中表征着缺陷自相似扩展的能量释放率,而有效弹性模量下降量在传统损伤力学中是一个具有内变量属性的损伤参数. 探讨了两者之间的特定关系,以此为材料构型力学与损伤力学搭建桥梁.借助穆斯海里什维利（Muskhelishvili）复势函数方法获取无限大弹性平面含圆形夹杂的弹性场解,根据M 积分的复势函数解析表达式得到M 积分与夹杂弹性模量的显式表达式. 随后通过有限元分析,对含复杂缺陷群的弹塑性材料进行数值模拟,结果表明内部缺陷区域的有效弹性模量下降与M 积分存在着特定关系. 基于此,提出利用材料构型力学中的外变量参数（M 积分）来替代损伤力学中的内变量参数（弹性模量下降量）描述材料的缺陷演化.      

单壁碳纳米管屈曲的原子/连续介质混合模型

用数学和力学研究所，上海 200072)//力学学报.--2004,36(6).--744～748 提供了一种运用原子/连续介质混合(hybrid atomic/continuum,HAC)方法解决纳米力学问题的思路. 通过在连续介质力学模型中引入利用分子力学方法获得物性参数，建立了预测单壁碳纳米管临界屈曲参数的HAC模型. 结果表明, HAC模型具有与连续介质力学模型可比拟的简洁性, 同时可表征纳米管微观结构特征对屈曲参数的影响. 计算结果表明，Zigzag纳米管的抗屈曲性能优于Armchair纳米管. 基于Tersoff-Brenner作用势的分子动力学结果证实了这一结论.     

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.      

M积分与夹杂/缺陷弹性模量的显式关系简

M积分在材料构型力学中表征着缺陷自相似扩展的能量释放率,而有效弹性模量下降量在传统损伤力学中是一个具有内变量属性的损伤参数. 探讨了两者之间的特定关系,以此为材料构型力学与损伤力学搭建桥梁.借助穆斯海里什维利（Muskhelishvili）复势函数方法获取无限大弹性平面含圆形夹杂的弹性场解,根据M 积分的复势函数解析表达式得到M 积分与夹杂弹性模量的显式表达式. 随后通过有限元分析,对含复杂缺陷群的弹塑性材料进行数值模拟,结果表明内部缺陷区域的有效弹性模量下降与M 积分存在着特定关系. 基于此,提出利用材料构型力学中的外变量参数（M 积分）来替代损伤力学中的内变量参数（弹性模量下降量）描述材料的缺陷演化.