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.     

混凝土三维细观模型的建模方法与力学特性分析

根据混凝土材料的细观组成和结构特点，基于三维Voronoi图形提出了一种简单高效的混凝土细观模型生成方法，利用塑性损伤模型对该细观模型进行了单、多轴应力状态下的准静态分析以及SHPB动态有限元分析。结果表明，数值模拟得到的应力应变曲线和破坏模式与实验结果基本吻合，本文中提出的混凝土三维细观模型可较好地模拟混凝土的静、动态力学特性，为进一步从细观力学角度研究混凝土损伤演化规律和破坏机理提供了模型基础。     

岩石射孔开裂的初步数值模拟

岩石射孔作业后孔眼周围裂缝分布规律对后续压裂有不可忽视的影响。选取射孔围岩的横切面为研究对象，将三维射孔侵彻过程简化为二维扩孔过程。考虑岩石细观非均匀性，设细观强度参数服从韦布尔分布。应用拉伸破坏准则和Mohr-Coulomb压剪破坏准则，并用模量折减法处理单元开裂，从而用FEPG软件实现了有限元数值模拟。模拟结果表明:射孔后的岩石可根据裂缝产生原因及分布由内而外划分为四个区域:压剪破坏区、拉伸破坏集中区、拉伸破坏扩展区和未破坏区。分析了不同射孔弹规格及围压条件下裂纹分布变化规律。与室内模拟实验结果进行对比分析，初步验证了模型的有效性。     

多轴加载下混凝土细观破坏模拟的强度准则探讨

实际工程结构中混凝土材料大多处于双轴或三轴的复杂应力状态,已有的细观力学数值研究工作大多针对单轴加载问题,对于双轴或者三轴加载条件下混凝土破坏模拟的研究相对较少。复杂受力条件下的混凝土材料破坏模拟中,细观组分强度准则选取的合理与否将成为混凝土破坏模式及宏观力学性能数值研究准确和成功与否的关键。本文旨在探讨单轴强度准则,如最大拉应变准则在多轴加载条件下混凝土破坏过程研究中运用的合理性。鉴于此,首先在细观尺度上建立了混凝土试件的二维随机骨料模型,分别采用弹性损伤本构关系模型及塑性损伤本构关系模型来描述细观组分(即砂浆基质)的力学性能,对双轴加载条件下混凝土的细观破坏过程进行数值模拟,对比了单轴强度准则和多轴强度准则下混凝土试件破坏路径及宏观应力-应变关系的差异。数值结果表明,简单的单轴强度准则难以反映双轴加载下混凝土内部应力状态的复杂性,不宜采用单轴强度准则来描述多轴加载下混凝土的破坏行为。     

金属基复合材料单向和循环变形行为的数值模拟研究

利用晶体细观力学模型，依据组元材料的单晶体变形性质，以Ａｌ－Ａｌ２Ｃｕ自生复合材料为模型材料，用数值法模拟其拉伸和循环拉伸变形过程，得到了与有关实验结果相符的应力－应变曲线，研究了增强相间距和循环加载过程对复合材料变形行为的影响，通过考虑变形过程中组元相及其界面的应力分布规律，分析研究了循环变形过程中基体Ｂａｕｓｃｈｉｎｇｅｒ效应对于复合材料微观变形与损伤机制的作用，结果表明，晶体细观力学模拟计算     

钢筋混凝土梁受弯破坏过程的细观数值模拟研究

在细观层次上将混凝土视为由粗骨料、硬化水泥砂浆及界面粘结带组成的三相非均质复合材料,能够较好地模拟混凝土加载时的裂缝扩展过程和分布规律。本文采用细观刚体弹簧元法模拟了钢筋混凝土梁的弯曲受力性能和破坏过程,加载方式采用两点对称加载。数值计算得到了钢筋混凝土梁的破坏形态和荷载一变形曲线,并分析了受力过程中纵向钢筋的应力变化。与试验结果对比表明,细观刚体弹簧元法可以有效模拟钢筋混凝土梁的裂缝开展过程、破坏形态和荷载一变形响应。     

材料强度对层板抗弹性能和损伤特性的影响

根据纤维增强复合材料宏细观结构特征,基于ABAQUS软件平台,建立了层合板高速冲击损伤三维有限元分析模型。该模型在复合材料层间引入界面单元模拟层间分层,采用三维粘弹性本构,结合Hashin失效准则模拟单层板面内损伤.利用该模型,深入研究了复合材料层板的抗弹性能和损伤特性,数值分析结果与实验结果吻合良好,证明了该方法的合理有效性。通过数值分析,详细探讨了材料强度参数对层板抗弹性能和损伤特性的影响规律,获得了一些有价值的结论。     

用于模拟颗粒增强复台材料破坏过程的梁-颗粒细观模型的实验验证

本文的主要目的是验证梁－颗粒细观模型在模拟混凝土和砂岩类颗粒增强复合材料连续破坏过程的有效性。文中首先介绍了梁－颗粒细观数值模型的基本原理，然后给出了由细钢丝粘结成的正方体试件的单轴抗压实验结果，最后用梁－颗粒细观模型对物理实验进行了数值模拟。研究结果表明，物理实验和数值模拟所得到的试件破坏模式和荷载－位移曲线，两者基本一致。从而初步证明了梁－颗粒细观数值模型是模拟颗粒增强复合材料破坏过程，以及解释其损伤机理的一个有效工具。     

有限元计算细观力学对复合材料力学行为的数值分析

有限元计算细观力学的发展是近十年来细观计算力学发展的主要特征和推动力．本文综述了有限元计算细观力学近十年来应用于复合材料力学行为分析研究方面的进展．介绍了基本的数值模型和计算方法，重点评述了强度和损伤等协同效应问题上的最新研究成果．最后对有限元计算细观力学应用于材料设计的前景做了展望     

THE APPLICATION OF VARIATIONAL MULTISCALE METHOD ON A ONE-DIMENSIONAL MECHANICAL MODEL

将变分多尺度方法应用于一维缆索模型,导出受力缆索的宏观有限元模型并求得细观位移解析解,总结出变分多尺度方法应用于具体模型的关键点和缺陷. 假定刚度为常值,数值模拟一定边界和受力下的缆索,得到宏观和细观位移. 将细观与宏观位移叠加,相比于精确位移得出：细观位移可视为常规有限元模型的后验误差. 变分多尺度方法在一维力学模型中的成功应用,推进了其实用性,为其在更多力学及工程问题中的运用和发展提供了参考.     

砌体结构长脉宽爆炸荷载损伤等级评估方法

随着百千吨级当量爆炸工业事故的频繁发生,建筑结构的损伤评估和抗爆安全性更受到关注。目前,构件级的评估方法相对成熟,而大当量冲击波作用下的建筑结构整体毁伤评估依旧是个开放性问题。本文中,面向结构级的毁伤评估,提出了一种新的评估方法?构件损伤加权。该方法以承重构件损伤程度为基础,通过基于应变能的构件权系数加权,进而评估结构级损伤破坏程度。为了验证评估方法的有效性,以典型砌体结构为例,利用自主研发的冲击波结构毁伤模拟有限元程序,开展了百毫秒脉宽爆炸冲击波荷载下结构动力学响应数值模拟。根据数值模拟结果,结合构件损伤加权的评估方法,获取砌体结构损伤等级与冲击波超压的关系。预测的超压值的相对误差为?16.9%～26.2%,验证了评估方法的有效性。该评估方法为获取砌体结构的超压-冲量曲线提供了可行的途径,可为结构的抗爆安全设计提供参考。     

单轴拉伸条件下脆性岩石微裂纹损伤模型研究

利用断裂力学、损伤力学和均匀化原理,对脆性岩石单轴拉伸条件下的力学特性进行分析,建立了脆性岩石的微裂纹损伤本构模型.首先对岩石内部微裂纹的统计分布规律进行分析,给出了理论分析过程中微裂纹分布的假设条件,在此基础上,参考已有研究成果,得到含细长微裂纹脆性岩石有效弹性参数的计算公式.然后,对岩石内部单一微裂纹进行断裂力学和损伤力学分析,得到了扩展裂纹尖端的应力强度因子计算公式,在一定微裂纹断裂扩展准则和断裂扩展速率的假设基础上,利用积分原理,得到了岩石整体的损伤变量和损伤演化方程,由此建立单轴拉伸条件下脆性岩石的微裂纹损伤本构模型.最后,通过一花岗岩的单轴拉伸试验结果对微裂纹损伤本构模型进行了验证.     

A homogenized viscoelastic model for masonry structures

A linear viscous model for evaluating the stresses and strains produced in masonry structures over time is presented. The model is based on rigorous homogenization procedures and the following two assumptions: that the structure is composed of either rigid or elastic blocks, and that the mortar is viscoelastic. The hypothesis of rigid block is particularly suitable for historical masonry, in which stone blocks may be assumed as rigid bodies, while the hypothesis of elastic blocks may be assumed for newly constructed brickwork structures. The hypothesis of viscoelastic mortar is based on the observation that non-linear phenomena may be concentrated in mortar joints. Under these assumptions, constitutive homogenized viscous functions are obtained in an analytical form.Some meaningful cases are discussed: masonry columns subject to minor and major eccentricity, and a masonry panel subject to both horizontal and vertical loads. The major eccentricity case is analysed taking into account both the effect of viscosity and the no-tension hypothesis, whereas the bi-dimensional loading case is analysed to verify the sensitivity of masonry behaviour to viscous function. In the masonry wall considered, the principal stresses are both of compression, and the no-tension assumption may therefore be discounted.     

Fatigue criteria for integrity assessment of long-span steel bridge with health monitoring

A structural health assessment (SHA) methodology is developed using data acquired from structural health monitoring (SHM) system installed on long-span bridges. A set of fatigue criteria has been proposed for pre-determining the global state of the bridge structure failure due to fatigue. This involves finding the threshold of fatigue initiation, below which the rate of fatigue damage may be undetectable under current technology or it is economically unfeasible. The state-of-art for large structures corresponds to the initiation of macro-cracks caused by the accumulation of damage generated by actual service loads for the case of bridges. In what follows, consideration is given to developing fatigue crack growth criterion based on the concept of the continuum damage mechanics (CDM). Fatigue accumulative is included in the model where a fatigue limit for multi-axial stress state is considered. The proposed criterion advocates the evolution of micro-crack growth up to the stage of macro-crack formulation. Considered are the loading histories that correspond to normal traffic loading for highways and railways, incidental or accident loadings such as those caused by typhoons and effective environmental loadings. The potential sites of damage are determined are discussed. The proposed criterion is applied to analyze the fatigue damage of the Tsing Ma Bridge with online strain history data acquired by the SHM system that is permanently installed in the bridge.     

实心砖石古塔动力特性与结构损伤分析

为研究"丝绸之路"起点世界文化遗产建筑兴教寺测师塔的动力性能及结构损伤,采用超低频动态测试系统进行了原位动力测试试验.在环境随机激励下,采集了该塔各楼层顶部水平振动的速度响应信号,经滤波后通过积分变换进行自谱及互谱分析,得到了结构沿水平方向的前2阶自振频率与振型.并依据结构测绘结果,建立测师塔数值模型,计算了弹性模量逐渐降低时的振动特性,并与测试结果进行对比,依据结构损伤参数识别的改进形法,进行了测师塔结构损伤分析.结果表明,该塔沿东西与南北两个水平方向的前2阶频率值相近,第1阶振型呈弯曲型,第2阶振型呈弯剪型;与无损砌体弹性模量的取值比较,测师塔结构的等效弹性模量降低较多,其结构整体损伤较为严重.因此,可通过确定无损砌体的弹性模量,采用动力测试及数值计算依据等效弹性模量进行残损砖石古塔结构损伤识别.     

基于各向异性损伤本构模型的砌体结构抗震分析

进一步完善了应力张量的线性变换方法,并将其应用于砌体材料本构模型的开发。在整体式有限元模型中,因不区分砌块和砂浆而将其视为匀质的连续材料,难以用受拉和受压两个损伤变量准确描述灰缝的II型滑移破坏。为解决这一问题,提出应再引入一个针对II型滑移破坏的损伤变量。基于以上研究工作,对砌体结构的振动台试验进行了模拟。模拟结果进一步验证了本文提出的弹塑性损伤本构模型的有效性,以及在进行结构非线性分析方面的优越性。由于本文提出的本构模型能够较为真实地描述砌体墙的破坏模式,因此使用该模型进行结构非线性分析,除了能够获取结构的位移和应力等反应外,还能较为准确地实时提供结构中的损伤分布状态信息,找出结构的薄弱部位,并据此合理地设计结构或进行相应的结构修复。     

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.     

An energy-based anisotropic yield criterion for cellular solids and validation by biaxial FE simulations

The initial yield surface of 2D lattice materials is investigated under biaxial loading using finite element analyses as well as by analytical means. The sensitivity of initial yield surface to the dominant deformation mode is explored by using both low- and high-connectivity topologies whose dominant deformation mode is either local bending or strut stretching, respectively. The effect of microstructural irregularity on the initial yield surface is also examined for both topologies. A pressure-dependent anisotropic yield criterion, which is based on total elastic strain energy density, is proposed for 2D lattice structures, which can be easily extended for application to 3D cellular solids. Proposed criterion uses elastic constants and yield strengths under uniaxial loading, and does not rely on any arbitrary parameter. The analytical framework developed allows the introduction of new scalar measures of characteristic stresses and strains that are capable of representing the elastic response of anisotropic materials with a single elastic master line under multiaxial loading.