高温下混凝土化学塑性-损伤耦合本构模拟及破坏分析

提出了一个用于模拟高温下混凝土中化学-热-湿-力学耦合行为的化学塑性-损伤耦合本构模型.发展了用于积分率形式的耦合本构方程的三步算子分裂算法.导出了化学-热-湿-力学(CTHM)耦合本构模型的一致性切线模量矩阵,以保证对于全局耦合控制方程Newton迭代过程的二阶收敛率.算例数值结果显示了本文发展的化学塑性-损伤耦合本构模型在重现火灾和热辐射条件下的混凝土中化学-热-湿-力学耦合行为的有效性.     

高温条件下混凝土墙体的非线性分析研究

论文建立了一个弹塑性-损伤耦合本构模型用于数值模拟高温下混凝土的真实破坏过程.导出了一个利用Newton-Raphson迭代的一般的直接应力返回映射算法.同时求解应力向量和塑性、损伤的内状态变量.并推导了用于化学-热-湿-力学耦合分析的全局守恒方程Newton-Raphson迭代过程的一致性切线模量矩阵.建议了一个用于...     

高温下混凝土的本构模拟及破坏分析

针对已建立的高温下混凝土中化学-热-水力-力学耦合过程分析的分级数学模型,发展了混凝土的化学-热-水力-力学(CTHM)耦合本构模型。在已有的Willam-Warnke弹塑性屈服准则基础上发展了考虑脱水和脱盐引起的材料损伤及化学塑性软化、塑性应变硬化/软化和吸力硬化的广义Willam-Warnke本构模型,模拟高温下混凝土的材料非线性行为。为保证全局守恒方程的Newton迭代过程的二阶收敛率,导出了非线性化学-热-水力-力学(CTHM)耦合本构模型的一致性切线模量矩阵。数值结果显示了本文所发展的化学-热-水力-力学(CTHM)耦合本构模型在模拟高温下混凝土中复杂破坏过程的能力和有效性。     

混凝土材料损伤-自愈行为的湿化力多场耦合分析

荷载与环境共同工作下的混凝土损伤-愈合力学行为具有典型的内在湿化力多场耦合特征．本文以混凝土中CaCO3 沉淀自愈机制为例,建立了一种湿-化-力多场耦合分析模型．通过引入一组扩散和化学反应方程,对材料微观结构层次的物理化学过程进行数学建模．随后,基于连续损伤愈合力学理论,将自愈效应引入混凝土损伤本构关系,发展出混凝土湿化力耦合分析模型并进行模型验证．针对单轴拉伸混凝土试样进行多场耦合数值分析,考察了关键参数对愈合过程的作用规律以及自愈进程对混凝土材料力学行为的影响．本文的研究为混凝土在运行环境下的损伤-愈合行为以及性能演变提供了定量分析方法．     

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。     

混凝土中心裂缝单轴拉伸损伤断裂数值模拟研究

基于对混凝土细观力学的认识,假定混凝土是由砂浆基质,骨料及它们之间的界面组成的三相复合材料,各组分的材料性质按照某个给定的Weibull分布来赋值,细观单元满足弹性损伤的本构关系,应用细观力学损伤模型研究了混凝土的宏观力学性质,并且通过有限元程序对中心裂缝混凝土试件在单向拉伸情况下的破坏过程进行了数值模拟.模拟结果表明,该模型可以用来研究单向载荷作用下混凝土结构的破坏机理.     

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。     

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.      

深部节理岩体塑性损伤耦合微面模型

采用微面模型理论和损伤力学方法,建立了节理岩体的弹甥性损伤耦合微面模型.在节理岩体的微面上,将岩体视为由节理面与岩石组成的二元介质,以节理连通率作为岩体沿该方向的面积损伤变量,考虑微面法向拉应力和压应力下的不同塑性变形和损伤耦合作用机制,基于塑性理论建立了节理岩体的微面塑性损伤增量本构关系.采用微面物理量与宏观物理量的几何约束模型,根据微面方向积分导出了节理岩体的宏观弹颦性增量本构关系.编制了节理岩体微面模型的MARC有限元子程序,对节珲岩体的单轴拉伸、压缩试验和泥浆压力作用下的井壁稳定问题进行了数值模拟研究.数值计算结果表明,该模型能很好地揭示载荷作用下节理岩体的各向异性非弹性变形和次生节理演化过程.     

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■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.     

混凝土单轴受拉的非局部本构模型

混凝土受拉本构行为存在很强的局部软化现象,使得单轴受拉试验无法给出应力-应变关系,而只能给出应力-位移关系。本文根据内变量理论和等效应变假设建立了基于真实应变的混凝土单轴受力本构方程,并根据Weibull分布可以描述混凝土等脆性材料断裂过程的试验现象,建立了关于弹性应变的损伤演化规律。然后,通过假设平均应变与真实弹性应变的函数关系,在应力-平均应变的本构关系中采用平均弹性应变以描述其非局部行为,而在材料的损伤演化规律中采用真实弹性应变以描述其局部行为,由此建立了单轴受拉荷载条件下的非局部本构模型。最后,对一个单调受拉试验和一个反复受拉试验的仿真结果表明所提出的非局部本构模型可以准确地模拟试验结果。     

A HYDRO-MECHANICAL-CHEMICAL COUPLING MODEL FOR GEOMATERIAL WITH BOTH MECHANICAL AND CHEMICAL DAMAGES CONSIDERED

A general framework of hydro-mechanical-chemical coupling model is proposed for geomaterial subjected to the dual effects of mechanical loading and chemical degradation. Mechanical damage due to microcracks in solid matrix and chemical damage induced by the increase of porosity due to dissolution of matrix minerals as well as their interactions are considered. A special model is proposed for sandstone. The reaction rate is formulated within the framework of mineral reaction kinetics and can thus take into account different dissolution mechanisms of three main mineral compositions under different pH values. The increase of porosity is physically defined by the dissolution of mineral composition and the chemical damage is related to the increase of porosity. The mechanical behavior is characterized by unified plastic damage and viscoplastic damage modeling. The effective stress is used for describing the effect of pore pressure. The elastic parameters and plastic evolution as well as viscoplastic evolution are dependent on chemical damage. The advection, which is coupled with mechanical damage and chemical damage, is considered as the dominant mechanism of mass transfer. The application of model proposed is from decoupled experiments to fully coupled experiment. The model offers a convenient approach to describing the hydro-mechanical-chemical coupled behavior of geomaterial.     

Modeling of impact on concrete plates by use of the microplane approach

A numerical approach to model 3D impact scenarios on concrete structures is presented and validated by experimental investigations. Special focus is given to dynamic contact modeling of an impactor loading a concrete plate at very high velocity. In this context, the main aspect is the elimination of non-physical oscillations of the kinematic fields by using an updated Newmark integration scheme. Two Lagrangian multipliers are used for this update which successfully reduces the unphysical oscillations of the above mentioned fields. In a further step, the material behavior of concrete is described by the microplane model introducing a new rate-dependent non-local damage formulation. Using the equivalent strain as a non-local field, the method is able to model, in an adequate manner so that the crack pattern in concrete is represented by the damage evolution in case of transient problems. The accuracy is validated and proved by the help of benchmark simulations as well as the observed phenomena to experimental investigations.     

水泥基材料的化学-力学耦合作用

水泥石良好的粘结性能和力学性能决定水泥基材料和结构的耐久性.通过试验和理论研究,发现水泥石中含钙水化物质,特别是氢氧化钙Ca(OH)_2和水化硅酸钙C-S-H在化学腐蚀作用下的流失是一个复杂的过程.假定水泥基材料为宏观均匀材料,引入考虑两种水化物不同扩散过程的化学扩散模型.提出了新的化学-力学损伤本构模型,描述水泥基材料在不同化学腐蚀下的应力应变关系.综合应用提出的水泥基材料的化学-力学损伤本构关系和化学扩散模型,可以较好地反映水泥石具有时间效应的力学特性.     

一个描述脆性材料非线性行为的损伤力学模型

提出了一个分析和描述脆性材料各向异性损伤的宏观力学模型。在小变型的情况下，利用损伤面和损伤势的概念以及材料性能和材料受损后的弹性响应取决于损伤变量而与加载路径无关的假设，文中导出材料弹性损伤的一般本构关系及联系材料系数与损伤面和损伤势的表达式。当损伤面和损伤势的构造确定后，建立了损伤变量的演变方程和材料性能的变化规律。文中以两种具体材料为例说明该理论模型的应用．     

考虑应变率效应的混凝土随机损伤本构模型研究

混凝土材料组分复杂且具有随机分布的特点, 其受力力学行为不可避免地存在非线性和随机性. 同时, 在动力荷载作用下, 混凝土材料具有不可忽视的率敏感性. 为了综合反映混凝土受力力学行为中的非线性、随机性与率敏感性, 本文从对材料的纳-微观裂纹扩展分析入手, 引入速率过程理论描述纳观裂纹的扩展速率, 并研究了对应的能量耗散过程. 在此基础上通过裂纹层级模型将纳观分析推演到微观尺度, 建立了微观能量耗散的基本表达式. 进而与微-细观随机断裂模型相结合, 形成了混凝土纳-微-细观随机损伤本构模型. 同时, 基于速率相关势垒的分析, 揭示了动力强度的提高源自加载速率和原子键断裂速率的竞争机制. 据此, 假定微裂纹间相互作用与应变率比值的相关关系以建立微弹簧能量耗散速率与应变率的联系, 实现了从静力本构模型向动力本构模型的扩展. 数值算例表明, 建议模型能够同时反映混凝土材料力学行为中的非线性、随机性和率敏感性. 最后通过与相关试验结果的对比, 验证了建议模型的正确性.      

混凝土率型内时损伤本构模型

混凝土是一种典型的率敏感材料,为了更好地描述混凝土结构在动力、冲击荷载作用下的强度和变形特征,本文结合内时理论和损伤理论建立了一种考虑混凝土率效应的内时损伤本构模型。该模型的特点:将混凝土材料的受力软化效应分解为密实状态的塑性效应和由微裂缝扩展引起的刚度退化效应。前者由内时理论来描述,这使该模型摆脱了一般弹塑性模型中屈服面的概念,从而更符合混凝土的变形特性,并且简化了非线性计算过程;后者由损伤理论来描述,根据混凝土的动力试验结果建立了增量型的损伤演变方程,从而使该模型能够较好地反映混凝土的动力特性。最后,应用本文建议的模型对一钢筋混凝土简支梁进行了非线性分析,结果表明:当结构承受快速荷载作用时,应变率对结构的受力性能影响较大,在进行结构分析时必须予以考虑。     

弹体贯穿混凝土数值模拟的改进材料模型

研究混凝土结构在冲击载荷下的力学特性对武器以及防护结构的设计和评估具有重要意义,而合适的材料模型可以更准确地预测混凝土结构的力学行为和破坏模式。因此,本文中提出了一种改进的混凝土塑性损伤材料模型来描述其在冲击载荷下的力学响应。该改进模型考虑了压力-体积应变关系、应变率效应、洛德角效应和塑性损伤累积对混凝土材料力学特性的影响,并引入了一个与损伤相关的硬化/软化函数来描述压缩状态下的应变硬化和软化行为。随后,通过对3个独立的强度面进行线性插值得到了该改进模型的破坏强度面,并采用部分关联流动法则考虑了混凝土材料的体积膨胀特性。最后,开展了单个单元在不同加载条件下和弹体贯穿钢筋混凝土靶的数值模拟,验证了该改进模型的可行性、准确性以及预测性能提升。     

混凝土材料冲击特性的研究

基于混凝土材料强冲击加载下的试验研究，提出了两种损伤型动态本构模型： 损伤型黏弹性本构模型和损伤与塑性耦合的本构模型. 通过模型计算结果与冲击试验结果的 比较可发现，随着冲击速度的提高，混凝土材料内部产生了显著的塑性变形，由此 损伤型黏弹性本构模型的应用就存在一些不足. 而损伤与塑性耦合的本构模型由于考虑了裂 纹扩展引起的材料强度和刚度的弱化，以及微空洞缺陷塌陷引起的塑性变形，因而能更好地 用于模拟强冲击载荷作用下混凝土材料的冲击响应特性.