基于真实细观结构的准脆性材料三维建模及应用初探

采用连续切片的方法获取准脆性材料的表面图像,利用数字图像处理技术检测材料的细观结构并进行矢量化。通过一种简单的变换,将每一切片矢量化的细观结构转换成单层的三维结构,然后将这些切片连续的细观结构逐层叠加,形成整个试件的三维真实细观结构,并针对准脆性材料图像的特点,编制了能够批量处理数字图像并进行细观结构矢量化的程序,建立了与有限元三维网格模型之间的数据接口,模型数据可直接导入岩石三维破裂过程分析RFPA3D系统中,研究真实细观结构对准脆性材料破坏力学行为的影响。以颗粒材料为例,分析了在单轴受压情况下的三维空间裂纹的产生及扩展过程,计算结果显示颗粒分布与界面显著影响材料的破裂模式。     

基于CT扫描的花岗岩三维数值试件重构模型及应用

本文以花岗岩试件为研究对象,借助于先进的CT技术获取试件内部结构切片图像,利用数字图像处理技术实现了基于CT图像的花岗岩试件结构的识别和表征,基于矢量化方法和岩石破裂过程分析系统RFPA3D建立了花岗岩三维数值试件,对花岗岩试件单轴压缩破裂过程进行了数值模拟。通过数值试验结果与物理实验结果对比发现,基于CT扫描的花岗岩数值试件的破裂模式与室内实验得到的破裂模式相似,为深入研究岩石、复合材料等力学特征提供了一种可行方法。     

应用数值试验方法，推进岩石力学实验的教学

 把岩石破坏过程分析数值模拟系统RFPA引入岩石力学实验课程的教学，进行岩石变形 与破裂过程的数值试验. 数值试验可以再现许多物理实验所不能观察到的力学现象(例如 岩石破裂过程中的应力场)，从而使学生对岩石的变形与破坏过程有更加清晰的认识，提高岩 石力学实验的教学质量.     

岩石破裂滑动过程及其声发射数值模拟

运用岩石破裂与失稳过程分析RFPA2D系统, 对滑动形成过程进行了数值模拟研究。滑动岩体似为非均匀弹 -脆岩石材料, 模拟结果再现了滑动形成从变形到破坏直至失稳的全过程及其声发射规律。     

基于数字图像处理的含缺陷花岗岩破裂力学分析1）

在细观尺度上,采用数字图像处理技术研究花岗岩中由石英、长石和云母等材料的形状、大小及分布对花岗岩材料造成的非均匀性,结合RFPA-DIP 程序建立了能准确反映材料真实细观结构的含缺陷花岗岩数值模型,并进行了常规单轴压缩模拟试验,研究不同矿物颗粒结构与缺陷对其细观破裂力学行为的影响,再现了外载荷作用下不同数值模型的真实破裂过程与最终破坏模式. 试验结果表明:缺陷对试样强度的影响比改变矿物颗粒的形态构造对其强度的影响更加显著,缺陷的存在削弱了颗粒形态对花岗岩强度影响的能力;缺陷及矿物颗粒的形态构造对试样裂纹的萌生、扩展以及最终破坏模式有直接影响,缺陷与矿物颗粒的空间结构关系是导致岩石形成各种复杂破坏模式的主要因素. 起裂应力水平受试样内部细观介质构造和缺陷的影响,而缺陷的存在对起裂应力的影响更加显著.     

水泥土细观破裂过程的实时观测试验

利用中科院武汉岩土力学研究所的岩石破裂过程细观力学实验系统,对不同水泥掺量的水泥土试件进行了单轴压缩细观实验,该试验系统可通过显微镜和数码视频装置实时观测水泥土试件的细观结构及其破坏的全过程,试验得到了水泥土破裂过程中的细观图像及其相应应力应变关系曲线.分析了不同水泥掺量的水泥土试件的细观破坏特征及其与宏观力学行为的关系,研究为水泥土细观损伤本构模型的建立提供了实验依据.     

基于数字图像的不同倾角节理灰岩破裂模式及细观尺度破裂过程研究

为研究节理倾角对灰岩破裂模式及破裂过程的影响,使用数字图像对灰岩的细观非均匀性进行表征,采用岩石破裂过程分析系统(RFPA2D-DIP)对不同倾角节理灰岩的细观破裂过程及宏观破坏模式进行了研究。结果表明,细观结构对各倾角节理试样的力学特性和最终破坏模式有重要影响,含节理灰岩的弹性模量及抗压强度具有明显的各向异性,随着节理倾角的增大均呈U型变化;含节理灰岩在单轴压缩条件下以拉伸破坏为主并伴随少量剪切破坏,细观拉伸破裂的聚集导致了宏观剪切带的形成;含节理灰岩的最终破坏模式随着方位角α的不同表现出6种形式:直线形(α=45°,α=75°);N形(α=60°);斜Z形(α=0°);斜N形(α=90°);M形(α=15°);V形(α=30°)。     

基于数字图像处理的含缺陷混凝土破裂过程研究

混凝土破坏规律受其缺陷的影响,为了从细观尺度研究含缺陷混凝土破坏规律,基于数字图像处理技术表征混凝土骨料形状、大小及空间分布,运用RFPA2D-DIP软件构建混凝土真实细观模型并进行单轴压缩试验,研究了含不同缺陷混凝土的破坏规律。试验结果表明:相比完整试件,含缺陷试件强度更低,破坏过程应力跌落次数更多,其初始裂纹在预制裂隙及孔洞两端萌生,缺陷与新裂纹的贯通最终导致试件破坏;混凝土中同时存在孔洞和裂隙时,孔洞与裂隙相互影响并形成应力集中的岩桥区域,当孔洞直径不变时,随着裂隙长度增加,试件峰值强度下降,在同一裂隙长度下,随着孔洞直径增大,混凝土峰值强度降低。     

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.     

FRP-混凝土界面剥离破坏过程并行数值模拟

FRP-混凝土界面粘结性能和抗拉裂能力是外贴FRP片材加固混凝土结构技术的关键问题。基于FRP与混凝土界面面内剪切试验的结果,采用材料真实破裂过程三维并行分析(RFPA3D-Parallel)系统,对FRP-混凝土界面的粘结性能进行了三维并行数值模拟研究。数值试验再现了FRP-混凝土构件的三维破裂过程演化过程,清晰地反映了拉伸载荷作用下FRP-混凝土构件界面剥离破坏的规律,FRP-混凝土界面剥离破坏是一个细观损伤不断产生和宏观裂缝形成的渐进过程,可通过监测FRP-混凝土结构损伤演化过程的声发射来揭示FRP-混凝土结构在外载荷作用下的损伤程度。FRP片材在加载过程中的变形剥离破坏过程大致可以划分为四个阶段：(1)弹性变形阶段;(2)弹性软化阶段;(3)弹性软化剥离阶段;(4)软化剥离阶段。本文的数值计算表明RFPA3D-Parallel并行数值模拟方法为FRP片材-混凝土界面剥离破坏过程和机理研究提供了一个很好的途径,同时也为研究FRP-混凝土工程结构等的损伤断裂机理提供了一个新的分析手段,这对于土木建筑工程中FRP-混凝土结构的工程设计施工、损伤断裂控制及混凝土结构加固等研究无疑具有重要的理论指导和实践意义。     

采动诱发岩体移动破坏过程数值模拟研究

本文基于岩石介质的宏观非线性主要是由非均质性和各向异性造成的, 应用新的数值计算软件RFPA(2D), 对采动引起岩体失稳破坏的全过程进了数值模拟研究。     

岩石紧凑拉伸断裂过程及其尺寸效应的三维数值模拟

采用最近开发的三维岩石破裂过程分析软件RFPA3D模拟单边裂纹紧凑拉伸断裂过程。试验中五个不同尺寸的岩样具有相同的力学性质参数分布,模拟结果得到了裂纹扩展中的应力场、位移场和声发射的空间分布以及单边裂纹扩展贯通的过程。单边裂纹拉伸断裂的路径是一个复杂的空间三维曲面,三维裂纹比二维裂纹更为复杂。分析了岩石试样的峰值强度和试样尺寸之间的关系。随着岩样尺寸的增加,峰值强度逐渐减小,并且延性破坏特征更加明显,模拟结果满足岩石的尺寸效应规律。最后模拟了三组不同均匀性的试样拉伸破坏过程,结果表明细观上的非均匀性对岩石尺寸效应有很大影响,随着非均匀性的增加,岩石宏观强度随之提高,即使在均匀材料中一样存在尺寸效应。     

Numerical study of failure behaviour of pre-cracked rock specimens under conventional triaxial compression

Macroscopic pre-existing flaws play an important role in evaluating the strength and the failure modes of a heterogeneous rock mass. Crack initiation, propagation and coalescence from macroscopic pre-existing flaws are considered in a 3-D numerical model (RFPA3D) to investigate their effects on the underlying failure modes of rock. A feature of the code RFPA3D is that it can numerically simulate the evolution of cracks in three-dimensional space, as well as the heterogeneity of the rock mass. Three types of flaw geometries were evaluated numerically against experimental results: Type A for intact specimen, and Types B and C for flawed cylindrical specimens with different macroscopic pre-existing flaws, respectively. The effect of confining pressure on the fracture evolution was also considered. Numerical results showed that both the ligament angle and the flaw angle of two pre-existing cracks can affect the uniaxial compressive strength of the specimen and the mechanism of fracture evolution. In addition, both the uniaxial compressive strength and the accumulated acoustic emission increase with increasing heterogeneity.     

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.     

受拉钢筋混凝土构件破坏过程中的等间距裂缝形成机理

采用三维真实材料破坏过程分析RFPA3D(Three-Dimension Realistic Failure Process Anal-ysis)系统,先对受拉钢筋混凝土构件在轴向拉伸作用下的破坏过程进行了数值试验研究,并与相应的实验结果进行了比较,数值试验得到的结果都与实验吻合的较好.并在此验证基础上利用RFPA系统着重分析了混凝土及钢筋在拉伸条件下的破坏过程中的应力分布情况过程及破坏机理.数值试验结果表明,受拉钢筋混凝土结构破坏过程中存在“等间距裂缝现象“,并通过破坏分析再现了裂缝形成、加密直至饱和的演化过程.本文还用三维程序,通过多个不同混凝土厚度钢筋混凝土构件的数值试验,研究了混凝土厚度对裂缝数及裂缝间距的影响,进一步发现饱和裂缝间距与混凝土厚度之间存在正比关系.随混凝土保护层厚度的增加而增大,裂缝数量随混凝土保护层厚度的增加而减少.