基于介观力学信息的颗粒材料损伤——愈合与塑性宏观表征

本文在二阶计算均匀化框架下提出了颗粒材料损伤--愈合与塑性的多尺度表征方法. 颗粒材料结构在宏观尺度模型化为梯度Cosserat连续体,在其有限元网格的每个积分点处定义具有离散颗粒介观结构的表征元. 建立了表征元离散颗粒系统的非线性增量本构关系. 表征元周边介质作用于表征元边界颗粒的增量力与增量力偶矩以表征元边界颗粒的增量线位移与增量转动角位移、当前变形状态下表征元离散介观结构弹性刚度、以及凝聚到表征元边界颗粒的增量耗散摩擦力表示. 基于平均场理论与Hill定理,导出了基于介观力学信息的梯度Cosserat连续体增量非线性本构关系. 在等温热动力学框架下定义了表征颗粒材料各向异性损伤--愈合和塑性的损伤、愈合张量因子与综合损伤、愈合效应的净损伤张量因子和塑性应变. 此外,定义了损伤和塑性耗散能密度与愈合能密度,以定量比较材料损伤、愈合、塑性对材料失效的效应. 应变局部化数值例题结果显示了所建议的颗粒材料损伤--愈合--塑性表征方法的有效性.      

基于介观结构的饱和与非饱和多孔介质有效应力

基于描述含液颗粒材料介观结构的Voronoi 胞元模型和离散颗粒集合体与多孔连续体间的介-宏观均匀化过程, 定义饱和与非饱和多孔介质有效应力. 导出了计及孔隙液压引起之颗粒体积变形的饱和多孔介质广义有效应力. 用以定义广义有效应力的Biot 系数不仅依赖于颗粒材料的多孔连续体固体骨架及单个固体颗粒的体积模量(材料参数),同时与固体骨架当前平均广义有效应力及单个固体颗粒的体积应变(状态量) 有关. 提出了描述非饱和多孔介质中非混和固体颗粒、孔隙液体和气体等三相相互作用的具介观结构的Voronoi 胞元模型.具体考虑在低饱和度下双联(binary bond) 模式的摆动(pendular) 液桥系统介观结构. 导出了基于介观水力-力学模型的非饱和多孔介质的各向异性有效应力张量与有效压力张量. 考虑非饱和多孔介质Voronoi 胞元模型介观结构的各向同性情况,得到了与非饱和多孔连续体理论中唯象地假定的标量有效压力相同的有效压力形式.但本文定义的与确定非饱和多孔介质有效应力和有效压力相关联的Bishop 参数由基于三相介观水力-力学模型, 作为饱和度、孔隙度和介观结构参数的函数导出,而非唯象假定.      

准脆性材料的弹塑性各向异性损伤耦合本构模型研究

针对准脆性材料的非线性特征：强度软化和刚度退化、单边效应、侧限强化和拉压软化、不可恢复变形、剪胀及非弹性体胀,在热动力学框架内,建立了准脆性材料的弹塑性与各向异性损伤耦合的本构关系。对准脆性材料的变形机理和损伤诱发的各向异性进行了诠释,并给出了损伤构形和有效构形中各物理量之间的关系。在有效应力空间内,建立了塑性屈服准则、拉压不同的塑性随动强化法则和各向同性强化法则。在损伤构形中,采用应变能释放率,建立了拉压损伤准则、拉压不同的损伤随动强化法则和各向同性强化法则。基于塑性屈服准则和损伤准则,构建了塑性势泛函和损伤势泛函,并由正交性法则,给出了塑性和损伤强化效应内变量的演化规律,同时,联立塑性屈服面和损伤加载面,给出了塑性流动和损伤演化内变量的演化法则。将损伤力学和塑性力学结合起来,建立了应变驱动的应力-应变增量本构关系,给出了本构数值积分的要点。以单轴加载-卸载往复试验识别和校准了本构材料常数,并对单轴单调试验、单轴加载-卸载往复试验、二轴受压、二轴拉压试验和三轴受压试验进行了预测,并与试验结果作了比较,结果表明,所建本构模型对准脆性材料的非线性材料性能有良好的预测能力。     

基于能量等效原理的应变局部化分析:Ⅰ.一维解析解

基于热力学第一定律和非局部塑性理论,提出了一种求解应变局部化问题的非局部方法.对材料的每一点定义了局部和非局部两种状态空间,局部状态空间的内变量通过非局部权函数映射到非局部空间,成为非局部内变量.在应变软化过程中,局部状态空间中的塑性变形服从正交流动法则,材料的软化律在非局部状态空间中被引入.通过两个状态空间的塑性应变能耗散率的等效,得到了应变软化过程中明确定义的局部化区域以及其中的塑性应变分布.应用本方法导出了一维应变局部化问题的解析解.解析解表明,应变局部化区域的尺寸只与材料内尺度有关;对于高斯型非局部权函数,局部化区域的尺寸大约是材料内尺度的6倍.一维算例表明,局部化区域的塑性应变分布以及载荷-位移曲线仅与材料参数和结构几何尺寸有关,变形局部化区域的尺寸随着材料内尺度的减小而减小,同时塑性应变也随着材料内尺度的减小变得更加集中.当内尺度趋近于零时,应用本文方法得到的解与采用传统的局部塑性理论得到的解相同.     

梯度增强Cosserat连续体的广义Hill定理

基于经典Cauchy连续体的Hill定理,在平均场理论的框架下导出了梯度增强Cosserat连续体细、宏观均匀化方法的广义Hill定理。在梯度增强Cosserat连续体中,不仅宏观样条点上的应变和应力张量,而且它们的梯度均作用于与该样条点相关联的细观表征元（RVE）。依据此广义Hill定理,对梯度增强Cosserat连...     

考虑损伤的内变量黏弹-黏塑性本构方程

基于Rice 不可逆内变量热力学框架,在约束构型空间中讨论材料的蠕变损伤问题. 通过给定具体的余能密度函数和内变量演化方程推导出考虑损伤的内变量黏弹-黏塑性本构方程. 通过模型相似材料单轴蠕变加卸载试验对一维情况下的本构方程进行参数辨识和模型验证,本构方程能很好地描述黏弹性变形和各蠕变阶段.不同的蠕变阶段具有不同的能量耗散特点. 受应力扰动后,不考虑损伤的材料系统能自发趋于热力学平衡态或稳定态. 在考虑损伤的整个蠕变过程中,材料系统先趋于平衡态再背离平衡态发展. 能量耗散率可作为材料系统热力学状态偏离平衡态的测度;能量耗散率的时间导数可用于表征系统的演化趋势;两者的域内积分值可作为结构长期稳定性的评价指标.      

颗粒增强复合材料的界面开裂与尺度效应

采用基于Huang等提出的塑性应变梯度传统理论发展的有限元方法,模拟了颗粒增强金属基复合材料的界面开裂与颗粒尺度效应.分别针对考虑颗粒与基体间界面开裂和不开裂两种情况进行分析,并将考虑界面开裂的模拟结果与实验结果进行比较,证明了模型的有效性,同时也获得应变梯度理论中所包含的材料特征尺度参量的取值.     

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.      

亚微米尺度晶体反常规塑性行为的离散位错研究进展

近十年来, 随着实验技术的发展, 人们对亚微米尺度晶体材料塑性行为的研究和认识不断深入, 实验观测到许多由离散位错主导的新的应力\!--\!应变现象, 它们是基于宏观尺度的经典塑性理论和基于微米尺度的应变梯度塑性理论所无法阐释的. 研究者们试图寻求新的理论模型和计算方法, 提出了考虑位错近程相互作用由背应力主导的缺陷能理论和以离散位错动力学为代表的亚微米尺度晶体塑性计算方法, 旨在描述位错形核、增殖、匮乏和湮灭, 揭示该尺度下塑性流动的机理. 本文从实验观测数据、理论分析模型、离散位错动力学及其与之耦合的连续介质力学计算方法等方面, 综述了亚微米尺度晶体反常规塑性行为的离散位错研究进展.      

基于能量等效原理的应变局部化分析:I.一维解析解

基于热力学第一定律和非局部塑性理论,提出了一种求解应变局部化问题的非局部方法.对材料的每一点定义了局部和非局部两种状态空间,局部状态空间的内变量通过非局部权函数映射到非局部空间,成为非局部内变量.在应变软化过程中,局部状态空间中的塑性变形服从正交流动法则,材料的软化律在非局部状态空间中被引入.通过两个状态空间的塑性应变能耗散率的等效,得到了应变软化过程中明确定义的局部化区域以及其中的塑性应变分布.应用本方法导出了一维应变局部化问题的解析解.解析解表明,应变局部化区域的尺寸只与材料内尺度有关;对于高斯型非局部权函数,局部化区域的尺寸大约是材料内尺度的6倍.一维算例表明,局部化区域的塑性应变分布以及载荷-位移曲线仅与材料参数和结构几何尺寸有关,变形局部化区域的尺寸随着材料内尺度的减小而减小,同时塑性应变也随着材料内尺度的减小变得更加集中.当内尺度趋近于零时,应用本文方法得到的解与采用传统的局部塑性理论得到的解相同.     

基于Hellinger-Reissner变分原理的应变梯度杂交元设计

从一般的偶应力理论出发，基于Hellinger-Reissner变分原理，通过对有限元 离散体系的位移试解引入非协调位移函数，得到了偶应力理论下有限元离散系统的能量相容 条件，并由此建立了应变梯度杂交元的应力函数优化条件. 根据该优化条件，构造了一 个C0类的平面4节点梯度杂交元，数值结果表明，该单元对可压缩和不可压缩状态的 梯度材料均可给出合理的数值结果，再现材料的尺度效应.     

基于细观方向平均模型的颗粒材料宏观Cosserat连续体本构关系

提出了基于细观微-方向模型（Micro—Directional Model）的宏观Cosserat连续体本构关系。在细观尺度上考虑颗粒旋转自由度及接触力矩,微结构的影响通过接触分布函数体现。给出均质各向同性Cosserat连续体模型弹性常数的细观参数表达式,并建议了二维情况下内尺度参数的细观力学表达式。对颗粒材料宏观行...     

考虑损伤的内变量黏弹--黏塑性本构方程

基于Rice不可逆内变量热力学框架,在约束构型空间中讨论材料的蠕变损伤问题.通过给定具体的余能密度函数和内变量演化方程推导出考虑损伤的内变量黏弹--黏塑性本构方程.通过模型相似材料单轴蠕变加卸载试验对一维情况下的本构方程进行参数辨识和模型验证,本构方程能很好地描述黏弹性变形和各蠕变阶段.不同的蠕变阶段具有不同的能量耗散特点.受应力扰动后,不考虑损伤的材料系统能自发趋于热力学平衡态或稳定态.在考虑损伤的整个蠕变过程中,材料系统先趋于平衡态再背离平衡态发展.能量耗散率可作为材料系统热力学状态偏离平衡态的测度;能量耗散率的时间导数可用于表征系统的演化趋势;两者的域内积分值可作为结构长期稳定性的评价指标.     

各向同性率无关材料本构关系的不变性表示

在内变量理论的框架下,针对各向同性率无关材料,使用张量函数表示理论建立了塑性应变全量及增量本构关系的最一般的张量不变性表示. 它们均由3个完备不可约的基张量组合构成,这3个基张量分别是应力的零次幂、一次幂和二次幂. 因此得出,塑性应变、塑性应变增量与应力三者共主轴. 通过对基张量的正交化,给出了本构关系式在主应力空间中的几何解释. 进一步,全量(或增量)本构关系中3个组合因子被表达为应力、塑性应变(或塑性应变增量)的不变量的函数. 当塑性应变(或塑性应变增量)的3个不变量之间满足一定关系时,所给出的本构关系将退化为经典的形变理论(或塑性势理论).最后,还讨论它与奇异屈服面理论的关系,当满足一定条件时,两者是一致的.      

一般壳体结构大位移和大应变弹塑性有限元分析与损伤力学的某些应用

离散的Kirchhoff理论三角形单元对一般壳体结构的分析是十分可靠的和有效的，本文将推广此种单元去分析壳体结构的大位移大应变弹塑性响应，校正的拉格朗日增量的Jaumann应力公式和塑性损伤相耦合的塑性流动本构关系已应用于列式中，在对带环向裂纹和环向槽受四点弯曲载荷的圆醉壳的分析中，显示了和实验结果符合一致，且说明了与塑性损伤相耦合的大应变弹塑性分析无论在宏观水平上或微观水平上都能显示比断裂力学方法更符合实际的结果。     

基于2nd P-K应力率的颗粒材料亚塑性模型

亚塑性理论为建立颗粒材料本构模型提供了一种新的框架,在此框架内讨论了Gudenhus-Bauer模型的模量矩阵不对称性,并阐述了直接以Cauchy应力Jaumann速率建立本构关系时以及由此所建议的Gudenhus-Bauer模型中所存在的问题.为此基于Gudenhus-Bauer模型的张量函数,应用2nd P-K应力率与Green应变率建议了一个新的颗粒材料亚塑性模型,该模型可与经典关联与非关联流动理论相对应.此外还简单介绍了如何依据基于2nd P-K应力率的本构模量获得以Cauchy应力Jaumann速率及变形率表示的亚塑性模型.数值算例表明所建议模型具有模拟颗粒材料应变局部变形特征的良好性能.     

粘接-映射混合算法及其对颗粒材料中板的振动特性分析

结构与颗粒材料相互作用广泛存在于各工程领域,其研究过程中涉及的连续-离散耦合计算方法面对诸多挑战.本文提出了粘接-映射混合算法来研究连续体与离散介质耦合动力学问题.将连续体模型划分为内部区域及与颗粒接触的边界区域.边界区域采用粘接算法模拟连续体外部形状并使用高效的球形接触判断准则;提出一种包含Rayleigh阻尼映射的有限元映射质点弹簧算法来精确计算连续体内部区域内力和变形.二者相结合构成粘接-映射混合算法,并引入计算机集群和GPU(图形处理器)并行技术,对埋没于颗粒材料中受激振动固支方板的连续-离散耦合动力学问题进行了数值仿真研究.结果表明,粘接-映射混合算法有利于双层级并行算法的程序实现及优化,并在连续-离散耦合界面进行快速接触判断的同时实现对颗粒材料中方板位移、变形、振动形态等参数的研究.通过定幅扫频和定频变幅方式考察激振力频率和幅值对振动板非线性动力学行为的影响并观察到二倍周期现象,同时给出了该连续-离散耦合系统中颗粒体系的能量耗散特性.      

利用连接尺度方法的颗粒材料破碎数值分析

基于已有的颗粒材料连接尺度方法(BSM)[1-2],发展了在细尺度上采用离散颗粒集合体模型与离散单元法(DEM)并引入了颗粒破碎模型,而在粗尺度上采用Cosserat连续体模型与有限单元法(FEM)的BSM。仅在有限局部区域内采用DEM从细观层次关注颗粒材料破碎现象,而在全域采用储存空间和花费时间较少的FEM,同时在粗细两个尺度采用不同的时间步长。讨论了颗粒材料发生破碎时,颗粒材料结构的承载能力与微结构的演变。数值算例结果说明了所提出可模拟破碎的BSM的可用性和优越性,以及颗粒破碎对颗粒材料微观力学行为的影响。     

混凝土黏塑性动力损伤本构关系

从静力弹塑性损伤本构关系的基本框架出发, 综合考虑塑性应变与损伤 演化的率敏感性, 建立了能够较为全面地描述混凝土在动力加载条件下非线性性能的混凝土 黏塑性动力损伤本构模型. 为了考虑塑性应变的率敏感性, 基于Perzyna理论推导了有效应 力空间黏塑性力学基本公式, 采用改进的Perzyna型动力演化方程, 将损伤静力演化方程推 广到动力加载情形. 基于并联弹簧模型, 从概率论的角度推导给出了一维损伤静力演化方程, 并基于能量等效应变的基本概念将其推广到多维损伤演化. 利用数值模拟, 计算得到了 混凝土在不同应变率下的应力应变全曲线, 同时得到了一维动力提高因子和二维动力强度包 络图, 数值结果与试验结果的对比表明了该模型的有效性.     

考虑晶体滑移面分解正应力的细观损伤模型

材料内部的解理、滑移面剥离等细观损伤是引起宏观失效的根源, 从细观尺度研究损伤的发生和发展有助于深入认识材料的变形和失效过程. 本文基于晶体塑性理论, 从滑移系的受力和变形出发研究材料的细观损伤, 建立了考虑滑移面分解正应力的细观损伤模型, 为晶体材料解理断裂的分析提供了新方法. 首先, 在晶体弹塑性变形构型的基础上引入损伤变形梯度张量的概念, 从变形运动学着手建立了考虑损伤能量耗散的本构方程, 并推导了塑性流动方程与损伤演化方程; 然后, 建立了相应的数值计算方法, 给出了应力与状态变量的更新算法, 推导了Jacobian矩阵的表达式; 接着, 以$[100]$取向的单晶铜材料为例, 通过有限元计算与试验结果的对比, 并采用粒子群优化算法标定了11个材料细观参数; 最后, 将所提细观损伤模型应用于RVE单轴拉伸过程的模拟, 得到了考虑损伤影响的应力应变曲线, 并分析了材料的塑性流动与损伤演化过程. 结果表明, 本文所提模型能够计算材料在受载过程中的损伤累积效应, 合理反映晶体材料的细观损伤机理.