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.      

基于微-细观机理的混凝土疲劳损伤本构模型

该文致力于混凝土疲劳损伤发展机理的微细观解释. 以速率过程理论为基础,通过考虑裂纹断裂过程区中的水分子动力作用,在细观尺度上建立了具有物理机理的疲劳损伤能量耗散表达式. 结合细观随机断裂模型,以宏观损伤力学为框架,建立了疲劳损伤演化方程. 通过数值模拟,计算了单轴受拉时的疲劳损伤演化以及不同加载幅度下的疲劳寿命. 与相关试验结果的对比显示出该文模型能够很好地表现混凝土材料的疲劳损伤演化过程.      

THE FATIGUE CONSTITUTIVE MODEL OF CONCRETE BASED ON MICRO-MESO MECHANICS

该文致力于混凝土疲劳损伤发展机理的微细观解释. 以速率过程理论为基础,通过考虑裂纹断裂过程区中的水分子动力作用,在细观尺度上建立了具有物理机理的疲劳损伤能量耗散表达式. 结合细观随机断裂模型,以宏观损伤力学为框架,建立了疲劳损伤演化方程. 通过数值模拟,计算了单轴受拉时的疲劳损伤演化以及不同加载幅度下的疲劳寿命. 与相关试验结果的对比显示出该文模型能够很好地表现混凝土材料的疲劳损伤演化过程.     

基于非齐次复合Poisson过程的正交异性钢桥面板细节疲劳裂纹随机扩展研究

传统的正交异性钢桥面板疲劳损伤评估常采用确定性和可靠性分析方法,忽略了疲劳裂纹扩展的随机性影响,针对这一问题,提出钢桥面板细节疲劳随机扩展分析方法。本文以南溪长江大桥为工程背景,基于长期车辆荷载监测数据,建立了车辆荷载非齐次复合Poisson过程模型。建立钢桥面板有限元模型,采用瞬态分析方法将随机车辆荷载转化成细节疲劳应力,基于线弹性断裂力学理论推导U肋-顶板焊接细节疲劳裂纹扩展时变微分方程,实现宏观关系式疲劳应力幅次数-疲劳损伤至微观表达式应力时间序列-疲劳损伤转换,讨论了车载次序及超载对疲劳裂纹扩展的影响。研究结果表明,非齐次复合泊松过程模型能够较好描述随机车流运营状态,车辆荷载的次序对疲劳裂纹扩展速率的影响不可忽略,重车排序靠前时能够促使疲劳裂纹扩展增速,南溪长江大桥细节点的车辆超载迟滞效应修正系数取值0.804。     

基于箭形累积损伤的裂纹尖端力学:奇异性分级和多尺度分段

在适度的空间和时间尺度组合下,裂纹既可在几个月中蠕变几个纳米,也能在几秒钟内扩展10km.虽然裂纹的尖端没有实际的质量,但是它能通过激活周围的物质而处于高能量状态.依赖于材料的损伤方向,激活质量的减少和增加可发生在尺度转变之前或之后.每个尺度区的分段阈值被假定为与裂纹尖端速度的平方a~2和激活质量密度M的乘积有关:W=M_(↓↑)a_(↑↓)~2和D=M~(↓↑)a_(↑↓)~2.W和D分别被称为直接吸收和自耗散能量密度.正如下标/上标符号所示,激活的质量密度M_(↓↑)和M~(↓↑)与裂纹尖端速度a变化趋势相反,既可增加也可减少.a~2和M的互补效应隐含着常用于宇宙物理学建模的膨胀和/或收缩的物理过程.在用于尺度敏感的裂纹尖端的行为时,激活的质量密度有相同的解释.分段时的多尺度可以由…皮观、纳观、微观和宏观…组成.因此,形象地说,材料损伤过程可以通过裂纹扩展过程中非均匀的总体和局部能量的传递来模拟.疲劳裂纹扩展引起的材料损伤被用来阐释由大到小和由慢到快的尺度/时间序,热力学中的冷→热和有序→无序转换.这一过程正巧与宇宙演化的箭形方向相反,宇宙演化遵循小→大和快→慢,而热力学相反,遵循热→冷和无序→有序.为了表示由损伤萌生所造成的类裂缝型缺陷的不均匀性,提出了一个被称为裂纹尖端力学(crack tip mechanics,CTM)的新模式.涉及的范围是模拟原子列之间的界面裂纹或连续体中分叉的切口.假如需要的话,尺寸和时间的范围可以复盖从皮观到宏观甚至更大.虽然采用疲劳裂纹来说明CTM的基本原理,在宇宙物理学背景中与直接吸收和自耗散相关的膨胀和收缩的情况可以描述裂纹周围激活质量的行为,它们可看为能量的汇或源.奇异性被用来捕获能量的源或汇的特性,物理上,两者作为界面的一部分,从数学上看则是不连续的线的一部分.能量从一种形式变为另一种形式取决于能量吸收或耗散的箭形损伤时间,这之中牵涉到尺度分段和奇异性强度的联合应用.材料组分随时间的劣化是根据指定的设计寿命导出的,从而使材料的响应与加载率的时间历史匹配.2024-T3铝板的皮观/纳观/微观/宏观开裂模型用来说明什么地方可以增加结构的寿命部分.皮观/纳观/微观/宏观/结构系统的性能随时间劣化可以用9个尺度转变物理参数来描述:纳观/微观区有3个(μ_(na/mi)~*,σ_(na/mi)~*,d_(na/mi)~*),微观/宏观区有3个(μ_(mi/ma)~*,σ_(mi/ma)~*,d_(mi/ma)~*),皮观/纳观区有3个(μ_(pi/na)~*,σ_(pi/na)~*,d_(pi/na)~*).下标pi,na,mi,ma和struc分别表示皮观、纳观、微观、宏观和结构.只要知道两个相连的尺度敏感参数,在较低尺度的时间相关的局部物理参数就完成了分析连续体的形式论,虽然它们并不需要用实验来知道.更具体地说,根据皮观→纳观→微观→宏观分别有1.25/1.00/0.75/0.50的λ奇异性强度,皮观裂纹、纳观裂纹、微观裂纹和宏观裂纹的转变特征是从时间箭形的指定的寿命预期来确定的.附加的0.25强度的奇异性可用于结构元件.回想起来,λ=0.5相应于断裂力学中的应力分量与r~(0.5)成反比,r是与宏观裂纹尖端的距离.微观裂纹、纳观裂纹和皮观裂纹分别赋予r~(-0.75),r~(-1.0),r~(-1.25)的奇异性.箭形时间(以年为单位)取决于问题的定义.设备的关键部件可用1.5~±/2.5~±/3.5~±/5.5~±寿命分布和总寿命为13~±年(a)的皮观/纳观/微观/宏观尺度来设计运行.上标±表示多于或少于实际运行的时间.累进损伤被假定为发生在皮观→纳观→微观→宏观方向.同样的方案用于20年总寿命的2024-T3铝板的疲劳损伤,按照1.5~±/2.5~±/3.5~±/5.5~±/7.0~±的方式将它的寿命分布在皮观、纳观、微观、宏观和结构的尺度上,这样的指定只是满足在每个尺度范围内损伤内部材料结构所用的能量匹配,因此可以强制执行在总寿命的跨度内精确的时间相关的材料性能劣化过程.     

混凝土复合型裂纹扩展的非局部近场动力学建模分析

基于非局部近场动力学理论,构建了修正的能反映混凝土宏观拉压异性和断裂特征的近场动力学本构模型,开发了相应的离散、加载和时间积分算法,实现典型混凝土构件中复合型裂纹扩展过程模拟。在物质点对尺度上定义局部损伤并考虑物质点对的相对转动,通过求解时空微-积分方程实现裂纹的自然萌生与扩展,避免裂尖不连续带来的求解奇异性、网格依赖性和网格重构以及常规近场动力学本构模型的泊松比限制。通过含单边和双边初始裂纹四点剪切混凝土梁裂纹扩展破坏全过程模拟,得到破坏形态、破坏荷载以及完整的荷载-裂纹开口滑移曲线,并与试验和其他数值模拟结果对比,验证了模型的精确性和算法的稳定性。     

复合材料厚壁圆筒的疲劳损伤研究

基于能量耗散法,推导出了复合材料厚壁圆筒的疲劳损伤和疲劳寿命函数;在此基础上,采用有限元软件 ABAQUS 建立复合材料圆筒模型,进行了模拟周期内压载荷作用下的疲劳仿真计算,得到了随着循环数的增加,疲劳损伤变量不断增大和材料性能不断退化的损伤规律。以同样的方法和载荷边界条件计算了全金属圆筒疲劳损伤的起始和演化。对比结果表明：相同循环次数作用下,后者的裂纹扩展长度和张开位移更大;随着循环次数的增加,后者的疲劳破坏比前者更剧烈,更难预测。     

拉-拉循环荷载作用下的界面脱粘研究

应用弹性力学和断裂力学基本理论，基于剪滞模型，研究了纤维增强复合材料中纤维与基体界面在拉-拉循环荷载作用下的疲劳脱粘特性。建立了描述疲劳裂纹扩展的等效Paris公式，得到了界面疲劳脱粘扩展速率、脱粘应力以及脱粘界面的摩擦系数与循环加载次数的关系式。通过数值模拟计算，进一步分析了界面疲劳脱粘的力学机理。本文分析，考虑了疲劳加载引起的脱粘界面的损伤及损伤分布的不均匀性。同时还考虑了材料泊松比的影响。     

基于耗散能密度的疲劳裂纹扩展规律研究

在疲劳裂纹扩展过程中,裂纹尖端的能量耗散决定了裂纹扩展能力.研究基于耗散能密度的裂纹扩展规律更有物理意义.耗散能密度是材料疲劳性能的一种表征参数,实验测得了镍基高温合金GH4169材料室温和450℃高温的耗散能密度与控制应力幅值的关系曲线.参照Paris公式的形式提出了基于耗散能密度的裂纹扩展方程,并通过疲劳裂纹扩展试验测量了GH4169材料在室温和450℃高温下的裂纹扩展速率与耗散能密度的关系.试验结果的总体趋势与所提出的扩展方程一致.     

强冲击荷载作用下混凝土材料动态本构模型

基于混凝土强冲击荷载作用下的实验研究,以修正Ottosen四参数破坏准则为流动法则,引入损伤,构造了一个塑性与损伤相耦合的动态本构模型用于描述混凝土材料的冲击特性.在该模型中,考虑了引起混凝土材料弱化的两种不同的损伤机制:拉伸损伤和压缩损伤.其中,拉伸损伤是由微裂纹的张开和扩展引起的,通过拉伸应变来控制;压缩损伤相关于微空洞体积分数比的演化,并通过微空洞塌陷引起的压缩应变来控制,由此压缩损伤和拉伸损伤就完全耦合了.通过模型计算模拟结果与实验结果比较发现,随着冲击速度的提高,混凝土的峰值应力显著增加,即混凝土材料的承载能力增大,同时混凝土内部产生显著的塑性变形.模拟曲线与实验曲线拟合良好,因而可以用该模型模拟混凝土材料在强冲击荷载下的动态特性.     

混凝土黏聚开裂模型若干进展

黏聚模型是用来描述混凝土断裂行为的基本模型, 首先介绍了混凝土的黏聚开裂模型的基本概念,总结了确定黏聚区的本构方程的各种方法,即直接单轴拉伸测试、J积分方法、R曲线法、柔度法和逆推法.然后介绍了黏聚模型在I型和复合型裂纹问题、疲劳断裂问题中的应用以及黏聚模型与混凝土尺寸效应的关系.最后对黏聚开裂模型与桥联模型、带状裂缝模型进行了比较和总结, 指出了该模型存在的问题, 并对其以后的发展方向提出了建议.      

Stochastic damage hysteretic model for concrete based on micromechanical approach

In the present paper, a kind of stochastic damage hysteretic model is proposed to describe the damage and hysteretic behaviors of concrete material. According to the model, a parallel system made up of micro-elements, which are developed based on the micro-tensile and shear damage mechanism respectively, is adopted to obtain the overall responses of concrete. The influence of plastic strain and hysteretic energy dissipation of the material are also considered in the model. To reflect the stochastic properties of concrete, the fracture strain of the micro-element is set as a random variable. Then the monotonic, loading and unloading curves of the parallel system are derived analytically by averaging the stochastic micro-elements and two hysteretic rules are combined to the proposed model to account for complicated loading conditions. Furthermore, a nonlocal process is introduced to the model to overcome the mesh dependence issues of softening materials. Finally, several numerical examples are conducted, demonstrating that the proposed model can provide reliable results reflecting the damage, plasticity and hysteretic behaviors of concrete material.     

沥青混合料的粘弹性疲劳损伤模型研究

从沥青混合料的黏弹性本构模型出发，按应变等效假设 将损伤引进本构模型，推导周期应力条件下含损伤的耗散能表达式，进而得到黏弹性损伤演 化方程和疲劳方程；该模型可以综合反映应力、加载频率和温度的影响，适合用来分析沥青 路面的疲劳损伤问题；利用MTS开展了沥青混合料的疲劳损伤试验，确定了相应的黏弹性疲 劳损伤模型参数，据此开展了模型验证，结果表明模型与实测值之间相关性很好.     

谱载荷下疲劳裂纹扩展随机规律的实验研究

简要介绍了谱载荷下疲劳裂纹扩展试验的理论基础、方法和过程。讨论了各种数据处理方法对参数估计的影响,研究了疲劳裂纹扩展的随机规律。由试验得到的疲劳裂纹扩展试验数据估计了裂纹扩展方程的参数,计算出结构可靠度曲线,通过对试验结果的分析难证了以下结论：以时间为参量的裂纹扩展随机过程模型和以裂纹长度为参量的模型在一定条件下是统一的;数据处理方法的选择与可靠性分析的结果有密切的联系;裂纹扩展寿命受裂纹扩展队机     

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.      

基于石膏材料的小结构重力坝损伤本构模型研究

大坝模型试验的模型材料力学性能是试验成功与否的关键影响因素。基于石膏模型材料基本力学性质和混凝土材料基本相似的实际情况,考虑石膏模型材料的孔隙率,在能量损伤理论模型的基础上,结合工程规范,建立了石膏模型材料的受拉损伤本构模型。同时,分析了模型材料应变率对材料峰值应力的影响,引入动应力提高系数,并给出了与应变率相关的模型材料受拉损伤本构模型。利用该本构模型模拟了动荷载下石膏模型重力坝的破坏过程,并与模型试验结果进行对比。结果表明：数值模拟得到的重力坝开裂破坏的位置、形式与模型试验结果较为接近。