在应力空间描述岩体损伤本构关系的一种模型

在分析岩体经观和宏观损伤特征及其与岩体非弹性变形之间关系的基础上,运用损伤面来定义生－－损伤准则,建立了在应力空间描述岩体损伤本构关系一种模型,并对该模型在工程中的应用进行了讨论。     

沥青混合料疲劳过程的损伤力学分析

采用损伤力学方法研究沥青混合料的疲劳失效问题。针对悬壁梁弯曲疲劳试件,推导出疲劳过程中应力场、损伤场和疲劳裂纹形成寿命的工程封闭公式。根据沥青混合料特点,提出一种模拟疲劳裂纹扩展的特征单元失效模式,从而将疲劳裂纹形成与扩展两个阶段统一用损伤力学理论进行描述和分析。本文对沥青混合料试件的疲劳裂纹形成寿命与扩展寿命分段进行了预测,还对疲劳过程中刚度衰减及位移幅值的演化过程进行了数值模拟计算。理论预期与实验结果吻合良好。     

压缩载荷作用下岩石的细观损伤和塑性研究

建立岩石微裂纹扩展的细观力学模型,研究了岩石的细观损伤和塑性性质.压缩载荷下微裂纹尖端翼裂纹稳定扩展表征岩石的细观损伤,采用应变能密度准则求解复合型断裂的翼裂纹扩展长度,微裂隙统计的二参数Weibull函数模型反映绝对体积应变对微裂纹分布数目影响,进而用翼裂纹扩展所表征的应力释放体积和微裂纹数目来表示含有微裂隙的岩石损伤演化变量;宏观塑性屈服函数采用Voyiadjis等的等效塑性应变的硬化函数,反映了塑性内变量对硬化函数的影响;建立岩石模型的本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制了模型的本构程序.分析弹塑性损伤模型的围压对岩石损伤的影响,并从围压和短微裂隙长度等因素分析模型的岩石的损伤和宏观塑性特性.     

基于一类非局部宏-微观损伤模型的裂纹模拟

结合近场动力学和统一相场理论的基本思想, 最近提出了一类非局部宏-微观损伤模型, 为固体裂纹扩展模拟提供了新途径. 本文在此基础上改进了微观损伤准则, 并给出损伤的$\bar{\lambda}-\ell$语言以刻画固体破坏过程中位移场的不连续程度. 在改进模型中, 首先根据两物质点(即物质点对)之间的变形量, 基于相对临界伸长量的历史最大超越程度, 给出表征物质键性能退化的微细观损伤. 进而, 对影响域内的物质键损伤进行空间局部加权平均, 获得宏观拓扑损伤. 通过引入能量退化函数, 建立基于能量的损伤与宏观拓扑损伤之间的关系, 由此将其嵌入连续损伤力学基本框架, 形成了问题求解的基本方程. 该模型是一类非局部化模型, 可采用有限单元法进行离散求解, 避免了经典局部损伤力学所面临的网格敏感性问题. 文中, 进一步将其应用于具有强非线性回弹特性的裂纹扩展模拟问题. 实例分析表明, 本文方法不仅可以把握裂纹扩展模式, 而且能够定量刻画裂纹扩展过程中的载荷-变形关系. 最后指出了需要进一步研究的问题.      

基于正则结构的各向异性损伤演化律

在Rice的正则结构框架下，推导出基于共轭力的各向异性损伤演化律。其中损伤变量采用二阶裂隙张量，它是固体内微裂纹的一个宏观测度。推导过程不涉及自由能的具体形式，主要结果包括损伤势函数及演化方程的解析表达式。在唯象的损伤力学模型里，损伤演化方程经常以唯象方程的形式出现。研究了唯象方程成立的条件及损伤特征张量的解析表达式。引入了广义裂隙张量及脆性指数的概念，并介绍了它们的作用和意义。     

节理裂隙岩体损伤力学研究中的若干问题

节理裂隙岩体损伤力学的研究与应用有着很好的发展前景。但作为一种经历并隐含了复杂的应力、变形及损伤历史的地质体,节理裂隙岩体在物理、力学特征上较一般工程材料具有更显著的随机性、特殊性和复杂性,因而,在其损伤力学研究中有不少基本的、重要的问题还没有解决。本文根据笔者近年来的研究体会,列举了该研究领域的若干重要问题,并就其可能的解决途径与发展趋势提出了一些初步的看法。损伤力学,节理岩体,岩体力学,损伤,断裂      

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.     

Combination of fracture and damage mechanics for numerical failure analysis

A new approach for the analysis of crack propagation in brittle materials is proposed, which is based on a combination of fracture mechanics and continuum damage mechanics within the context of the finite element method. The approach combines the accuracy of singular crack-tip elements from fracture mechanics theories with the flexibility of crack representation by softening zones in damage mechanics formulations. A super element is constructed in which the typical elements are joined together. The crack propagation is decided on either of two fracture criteria; one criterion is based on the energy release rate or the J-integral, the other on the largest principal stress in the crack-tip region. Contrary to many damage mechanics methods, the combined fracture⧹damage approach is not sensitive to variations in the finite element division. Applications to situations of mixed-mode crack propagation in both two- and three-dimensional problems reveal that the calculated crack paths are independent of the element size and the element orientation and are accurate within one element from the theoretical (curvilinear) crack paths.     

岩体水力劈裂的应力-渗流-损伤耦合模型研究

利用无单元法追踪裂纹扩展的优势研究模拟岩体水力劈裂的数值分析模型。定义损伤变量以描述岩体的损伤程度对岩体渗透性和强度的影响,建立了岩体水力劈裂的应力-渗流-损伤耦合分析模型,并编制了基于无单元法的计算程序。综合考虑应力、渗流及损伤之间的相互作用影响,分析了具有初始裂纹的岩体平面应力模型的裂纹扩展过程,指出考虑渗流作用时的裂纹扩展角大于不考虑渗流作用时的裂纹扩展角。同时,裂纹内水压力和渗流的作用对于裂纹的扩展方向和扩展长度具有较大的影响。     

非贯通裂隙岩体损伤演化率相关性及变形特征

含非贯通裂隙岩体是自然界中岩体的主要赋存形式，其裂隙几何特征对岩体的强度及变形均产生显著影响。应变率对岩体的损伤演化及黏滞效应也具有显著的率相关性。首先，运用模型元件的方法，将非贯通裂隙岩体动态破坏过程视为具复合损伤、静态弹性特性、动态黏滞特性的非均质点组成，对黏弹性响应的Maxwell体进行改进，将细观损伤体与裂隙损伤演化的宏观损伤体根据等效应变假设并联组成宏细观复合损伤体，构建综合考虑岩体宏细观缺陷的动态损伤模型；其次，基于断裂力学及应变能理论，对岩体宏观裂隙动态扩展的能量机制进行分析，综合考虑初始裂隙应变能、裂隙动态损伤演化过程应变能、裂隙闭合应变能，得到裂隙岩体宏观动态损伤变量计算公式；最后，将模型计算结果与实验结果进行比较，模型计算结果与实验结果吻合较好，证明了模型的合理性，同时利用模型讨论了裂隙倾角、应变率、岩石性质对岩体变形特征的影响规律。     

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.     

Anisotropic damage–plasticity model for concrete

A material model for concrete is proposed here within the framework of a thermodynamically consistent elasto-plasticity–damage theory. Two anisotropic damage tensors and two damage criteria are adopted to describe the distinctive degradation of the mechanical properties of concrete under tensile and compressive loadings. The total stress tensor is decomposed into tensile and compressive components in order to accommodate the need for the above mentioned damage tensors. The plasticity yield criterion presented in this work accounts for the spectral decomposition of the stress tensor and allows multiple hardening rules to be used. This plastic yield criterion is used simultaneously with the damage criteria to simulate the physical behavior of concrete. Non-associative flow rule for the plastic strains is used to account for the dilatancy of concrete as a frictional material. The thermodynamic Helmholtz free energy concept is used to consistently derive dissipation potentials for damage and plasticity and to allow evolution laws for different hardening parameters. The evolution of the two damage tensors is accounted for through the use of fracture-energy-based continuum damage mechanics. An expression is derived for the damage–elasto-plastic tangent operator. The theoretical framework of the model is described here while the implementation of this model will be discussed in a subsequent paper.     

不同地应力条件下切缝药包爆破的数值模拟

针对切缝药包定向爆破的特点,考虑岩石介质非均匀性的基础上,把岩石爆破视为爆炸应力波动态作用和爆生气体压力准静态作用的过程,基于损伤力学理论建立岩石爆破的力学模型,并对不同地应力条件下切缝药包爆破的裂纹演化规律进行数值模拟,分析不同地应力条件对切缝药包爆破效果的影响。模拟结果表明:采用切缝药包爆破时,裂纹主要萌生于切缝周边,沿切缝方向扩展,切缝对定向裂纹的控制作用明显;当考虑地应力作用,且最大地应力方向与切缝方向垂直时,不利于定向裂纹的扩展;最大地应力方向与切缝方向平行时,有利于定向裂纹的扩展。裂纹的扩展方向受控于切缝角度和最大地应力方向这2个条件,裂纹扩展规模则受到地应力的限制。     

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.     

岩石破裂过程THMD耦合数值模型研究

从岩石的细观非均匀性特点出发,应用损伤力学、热力学和渗流力学理论,建立了岩体热(温度)-水(渗流)-岩(应力)-损伤耦合数值模型(THMD model),把岩石(体)THM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。探讨了THM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,并运用所提出方法计算温度-渗流-应力耦合作用下井筒近场围岩的稳定性,模拟得到的岩体破坏过程、应力分布、AE特性及渗流特性变化与现场标定结果有着一致的规律性,初步证明了该数值模型的合理性和有效性。THMD模型以简单的数值模型表征了岩石(体)中热、水、岩及损伤之间复杂的作用关系,为从细观损伤演化揭示宏观岩体温度-渗流-应力耦合破坏机制提供了一种新的数值分析方法。     

金属材料疲劳损伤的宏细观理论

工程结构的疲劳损伤发展过程经历了由初始缺陷的形成、裂纹的稳态扩展直到最后失效的不同发展阶段,通常疲劳损伤的演化可以概括为以下几个阶段:(1) 亚结构和微观结构的变化引起永久损伤的形成,产生微观裂纹;(2) 微观缺陷的长大会合形成主裂纹;(3) 主裂纹稳态扩展;(4) 结构失稳或完全失效.首先论述了疲劳裂纹扩展的物理机制,并从细观和宏观两个方面总结了处理疲劳裂纹问题的最新研究成果,对位错力学在处理短裂纹扩展问题中的应用,以及无位错区(DFZ)在疲劳裂纹扩展中的作用进行了较详细讨论.      

热力学相容的混凝土各向异性单边损伤模型

微裂缝演化(损伤)引起的各向异性和单边效应,对于混凝土材料和结构的变形和内力有非常重要的影响. 在描述单边效应时,已有的各向异性损伤模型均会得出与热力学基本原理相矛盾的结论即损伤卸载时能量耗散不为零. 基于不可逆热力学和内变量理论,直接以材料柔度张量的增量作为损伤内变量,建立了各向异性单边损伤模型的一般形式,给出了热力学相容的投影算子,推导了模型的率本构关系.文中详细发展了模型的Newton-Raphson数值实现算法及其算法一致性模量,建立了合理的损伤准则和演化法则并应用于混凝土材料. 数值模拟结果初步验证了建议模型的有效性. 需要说明的是,模型完全构筑于热力学基础上,无需引入应变 等效或应变能等效等经验性假定.      

A two-scale time-dependent damage model based on non-planar growth of micro-cracks

This paper presents the theoretical developments and the numerical applications of a time-dependent damage law. This law is deduced from considerations at the micro-scale where non-planar growth of micro-cracks, following a subcritical propagation criterion, is assumed. The orientation of the crack growth is governed by the maximum energy release rate at the crack tips and the introduction of an equivalent straight crack. The passage from micro-scale to macro-scale is done through an asymptotic homogenization approach. The model is built in two steps. First, the effective coefficients are calculated at the micro-scale in finite periodical cells, with respect to the micro-cracks length and their orientation. Then, a subcritical damage law is developed in order to establish the evolution of damage. This damage law is obtained as a differential equation depending on the microscopic stress intensity factors, which are a priori calculated for different crack lengths and orientations. The developed model enables to reproduce not only the classical short-term stress-strain response of materials (in tension and compression) but also the long-term behavior encountering relaxation and creep effects. Numerical simulations show the ability of the developed model to reproduce this time-dependent damage response of materials.     

岩体施工过程损伤演化预测的时变力学分析

由建立的岩体损伤本构模型，依据时变力学理论对岩体进行不同施工路径下的分步开挖计算，并对施工过程中各点损伤演化历程进行计算机仿真模拟，以预测后续开挖的损伤状态及寻求较优施工步序。理论及算例分析均表明：存在损伤演化时，不同施工步序下岩体终应力位移和损伤状态均不同，设计与施工应进行损伤演化的时变力学分析，以保证施工安全。     

地下开采过程损伤场演化与地表变形的时变分析

以形状随时间变化的物体——时变体为研究对象，将损伤理论与时变力学结合，引入与时变过程相关的损伤参数，形成损伤时变力学分析方法。针对岩石介质特性给出了弹性损伤时变力学本构方程，并利用虚功原理建立相应数值化方法和分析过程。利用损伤时变力学分析方法对某地下煤层开采过程进行计算机仿真分析，给出形状时变引起的损伤场与地表移动的动态演化过程，并对比了非时变以及施工分析结果。研究表明，损伤时变分析可得到连续变化的位移及损伤演化图，相比非时变的常规分析和施工分析能更好地模拟连续施工，为工程施工分析与预测提供更加科学和有效的手段。为实现开采过程的经济和安全，应该采用损伤时变力学的分析方法。