细观力学和细观损伤力学

本文扼要地阐述细观力学的定义和范畴;探索其主要研究课题和应用领域,展示细观损伤力学的新进展;并对细观力学的未来发展趋势加以展望。      

冲击荷载作用下混凝土材料的细观本构模型

将混凝土材料看成是水泥砂浆基体和粗骨料颗粒组成的2相复合材料,假设水泥砂浆基体和粗骨料颗粒均为弹性、均匀、各向同性的,粗骨料颗粒为球形。基于Mori-Tanaka理论和Eshelby 等效夹杂理论推出了混凝土材料弹性模量的计算公式。在Horii和Nemat-Nasser提出的脆性材料在双轴向压应力作用下破坏的滑移裂纹模型基础上,运用细观力学方法推导了微裂纹对材料弹性模量的弱化作用以及微裂纹的损伤演化方程。建立了混凝土材料在冲击荷载作用下的一维动态本构模型,模拟曲线与实验曲线符合良好,因而可以用该模型模拟混凝土材料在冲击荷载下的动态特性。     

基于细观力学方法的混凝土热膨胀系数预测

建立混凝土材料的有效性质与微结构参数之间的关系,是混凝土材料优化设计的基础。本文用细观力学方法对复合材料宏观有效热膨胀系数进行研究,得到了含有一球形夹杂物的无限大介质在均匀变温作用下的应力场。假定混凝土为由骨料和砂浆基质组成的二相复合材料,根据混凝土宏观体积热膨胀量与组成混凝土的各相介质细观体积热膨胀量相等的原则,采用基于Mori-Tanaka方法的混凝土宏观有效剪切模量,推导出混凝土有效热膨胀系数的解答。对稀疏解法、自洽方法和有限单元数值试验结果的比较说明,本文提出的基于自洽方法的混凝土宏观有效热膨胀系数的理论公式能够较好的描述混凝土的热学特性,该方法可以推广到多相复合材料宏观有效热膨胀系数的预测中。     

混凝土细观力学分析程序中的快速算法与并行算法设计

针对一套混凝土细观力学分析程序,在分析其计算方法与计算效率的不足之后,提出了采用稀疏矩阵与稀疏向量技术来高效实现有限元刚度矩阵装配过程的算法,并采用双门槛不完全Cholesky分解预条件技术与CG法相结合来高效地求解稀疏线性方程组。之后,从整体上提出了一个将有限单元分布与未知量分布有机结合的并行算法设计方案,并分别针对刚度矩阵装配、双门槛不完全Cholesky分解、稀疏矩阵与稠密向量相乘、稀疏向量相加等核心算法,进行了相应的并行算法设计。最后,在由每节点2 CPU的8个Intel Xeon节点采用千兆以太网连成的机群上,针对两个混凝土数值试样进行了数值实验,第一个试样含44117个网格点与53200个有限单元,第二个试样含71013个网格点与78800个有限单元;对第一个试样,原串行程序进行全程567次加载计算需要984.83小时约41天,采用文中串行算法后,模拟时间减少到22531秒约6.26小时,采用并行算法在16个CPU上的模拟时间进一步降为3860秒约1.07小时。对第二个试样,原串行程序进行全程94次加载计算需要467.19小时约19.5天,采用文中串行算法后,模拟时间减少到11453秒约3.18小时,采用并行算法在16个CPU上的模拟时间进一步降为1704秒约28.4分钟。串行算法的改进与并行算法的设计大大缩短了计算时间,对加快混凝土力学性能的分析研究具有重要意义。     

位错花样研究进展——试验研究、理论分析和计算机模拟

本文详细综述了位错花样形成演化的电镜观察研究、理论分析和计算机模拟的最新进展,并进行了简要的评述,指出了今后研究的方向。     

管材包裹混凝土柱轴压细观力学数值模拟

将不同模量管材包裹下的轴压混凝土圆柱构件内部混凝土看作由骨料、砂浆骨料过渡层、砂浆组成的三相复合材料,利用骨料随机投放程序确定骨料在试件中的随机位置,并考虑各相材料的弹塑性性质,建立了构件的三维非线性细观分析模型.通过对不同模量管材(PE,HDPE,PVC,钢)包裹下的轴压混凝土圆柱的内部细现力学性能进行分析,探讨不同材料外包下轴压混凝上柱破坏的开展与其内部各种材料(如骨料、过渡层、砂浆等)及外部包裹材料的细观受力状况的关系.     

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将不同模量管材包裹下的轴压混凝土圆柱构件内部混凝土看作由骨料、砂浆骨料过渡层、砂浆组成的三相复合材料,利用骨料随机投放程序确定骨料在试件中的随机位置,并考虑各相材料的弹塑性性质,建立了构件的三维非线性细观分析模型。通过对不同模量管材(PE、HDPE、PVC、钢)包裹下的轴压混凝土圆柱的内部细观力学性能进行分析,探讨不同材料外包下轴压混凝土柱破坏的开展与其内部各种材料（如骨料、过渡层、砂浆等）及外部包裹材料的细观受力状况的关系。     

Size effects of effective Young’s modulus for periodic cellular materials

With the wide demands of cellular materials applications in aerospace and civil engineering, research effort sacrificed for this type of materials attains nowadays a higher level than ever before. This paper is focused on the prediction methods of effective Young’s modulus for periodical cellular materials. Based on comprehensive studies of the existing homogenization method (HM), the G-A meso-mechanics method (G-A MMM) and the stretching energy method (SEM) that are unable to reflect the size effect, we propose the bending energy method (BEM) for the first time, and a comparative study of these four methods is further made to show the generality and the capability of capturing the size effect of the BEM method. Meanwhile, the underlying characteristics of each method and their relations are clarified. To do this, the detailed finite element computing and existing experimental results of hexagonal honeycombs from the literature are adopted as the standard of comparison for the above four methods. Stretch and bending models of periodical cellular materials are taken into account, respectively for the comparison of stretch and flexural displacements resulting from the above methods. We conclude that the BEM has the strong ability of both predicting the effective Young’s modulus and revealing the size effect. Such a method is also able to predict well the variations of structural displacements in terms of the cell size under stretching and bending loads including the non-monotonous variations for the hexagonal cell. On the contrary, other three methods can only predict the limited results whenever the cell size tends to be infinitely small. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 50775184), the National Basic Research Program of China (Grant No. 2006CB601-205), the Aeronautical Science Foundation (Grant No. 2008ZA53007), the Doctorate Foundation of Northwestern Polytechnical University (Grant No. CX200610), and the State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, Hunan University (Grant No. 30715003)     

纵向剪切三相共焦点椭圆模型的精确解及其应用

推广夹杂问题的三相同心圆模型,提出了三相共焦点椭圆模型,从而计及了夹杂形状变化的重要因素。利用保角变换结合罗朗级数展开技术获得了纵向剪切载荷下的封闭形式解。本模型和解答对夹杂、界面层附近的细观应力场分析、对复合材料和含缺陷材料的有效弹性模量预测有重要实用价值,获得了比经典公式更精确的结果。对特殊模型,可以得到许多有意义的问题（如二相模型）的解答。     

基于均匀化理论的混凝土宏细观力学特性研究

在细观层次上将混凝土视为由砂浆基质、骨料及其界面组成的三相复合材料,在此基础上,采用有限元方法,对混凝土弹性本构关系进行数值模拟,利用位移渐近展开技术和均匀化理论建立了多尺度力学框架下的有限元平衡方程,重点考察了单胞尺寸对宏观力学性能的影响,得到了相对最大骨料粒径的最小单胞尺寸,即5～10倍最大骨料粒径.作为例证,对混凝土三点弯梁进行了宏细观尺度数值仿真研究,结果表明:基于本文方法可以较好地反映混凝土的宏观力学行为.此外,由于骨料、砂浆的相互作用,应力分布呈现出宏观渐变平滑与细观局部突变的特征.