颗粒材料破碎演化路径细观热力学机制

颗粒材料在高应力环境下会发生颗粒破碎现象,颗粒破碎不仅影响颗粒材料的力学特性,同时与大量工程问题密切相关.目前的相关研究主要集中在唯象地描述颗粒破碎的演化以及破碎对力学特性的影响层面,对颗粒破碎演化路径的物理机制研究较少.本文基于热力学框架,采用细观力学中细观-宏观的均匀化方法推导了颗粒体系弹性能和破碎能量耗散,并在最大能量耗散的假设下,在热力学框架内,建立了理想化的无摩擦球体颗粒等向压缩过程的弹性-破碎模型,阐述了颗粒材料破碎演化路径细观热力学机制.由于模型的推导不依赖任何唯象的经验公式,因此模型中包含的参数均有明确的物理意义.模型预测与前人试验结果对比表明,材料的初始级配对弹性压缩模量和破碎应力的影响并不相同:不同分形维数级配对应的弹性体变模量存在极大值,而破碎应力却随着分形维数的增大单调递增;颗粒破碎的演化符合最大能量耗散原理,且颗粒材料的压缩曲线可以分为弹性-破碎-拟弹性3个机制不同的阶段.      

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.     

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.      

基于三维细观力学模型的开孔泡沫弹性性能预测

泡沫材料的宏观力学性能主要取决于基体材料的力学特性及其微细观结构特征,基于细观力学模型的分析方法是泡沫材料力学性能研究的重要途径。文中基于Matlab语言和Abaqus软件构建了描述中等孔隙率开孔弹性泡沫材料微结构特征的三维随机分布球形泡孔模型,并采用有限元方法对弹性泡沫压缩变形进行了模拟,并计算给出了不同孔隙率弹性泡沫材料弹性模量、剪切模量、体积模量以及泊松比的分布,建立了相应的唯象表达式。与理论模型及测试结果的比较表明,本文基于三维随机泡孔模型模拟结果构建的唯象表达式能够对弹性泡沫材料的弹性力学性能给出很好的预测。     

颗粒土的亚塑性-塑性本构模拟

颗粒土在低应力区与高应力区的力学响应有较大的差别.低应力区的材料响应具有很强的密度依赖性,而在高应力区,则有显著的颗粒破碎效应.论文基于颗粒土压缩变形特性,将与颗粒破碎引起的土体压缩性的显著增大当作材料的塑性屈服,采用一个塑性势来描述.以亚塑性模型作为基础模型,描述低应力区的力学响应.两者结合建立了一个亚塑性-塑性本构模型框架,用于描述颗粒土在较宽广应力范围内的应力应变关系.     

分数维空间中的损伤力学研究初探

结合损伤力学和分形几何理论，给出分数维空间中分形损伤变量定义ω（ｄ，ζ）及其解析表达式．指出欧氏空间损伤变量ω０实际是分数维空间分形损伤变量ω（ｄ，ζ）当维数取Ｅｕｃｌｉｄｅａｎ维数时的一种特例，将欧氏空间损伤变量定义推广到分数维空间，建立起一种兼顾反映损伤细观结构效应和宏观损伤力学分析需要的损伤定义与描述方法．在此基础上，推导了材料损伤演化律和损伤本构关系的分形表达形式．作为例证，文中分析了单调压缩载荷下混凝土损伤及演化行为．实验对比分析表明：分形损伤模型较好地反映了混凝土实际损伤力学行为．     

2.5维自愈合C/SiC复合材料的压缩力学行为

试验研究了2.5维自愈合C/SiC复合材料的压缩力学行为,根据材料的细观结构特点,建立了压缩载荷下的损伤力学模型,得到了经纬向压缩的非线性应力应变关系,预测结果与试验值吻合较好。结果表明,经向和纬向的力学行为不同,纬向的压应力逐渐增大时,切线模量逐渐增大,压缩强度为270.05MPa,而经向压应力逐渐增大时,层间损伤逐渐发生,经纱承受的弯矩越来越大,切线模量逐渐降低,破坏强度为128.66MPa。     

颗粒破碎的微观力学模拟

基于颗粒尺度建立了考虑颗粒破碎过程中能量耗散的微观力学模型。为了模拟颗粒体的破碎过程和侧向应力的影响,把胶结在一起的三个等粒径的颗粒体当作颗粒破碎体。基于颗粒破碎准则和热力学原理,考虑了颗粒破碎过程中颗粒接触点之间的塑性滑移和颗粒转动以及侧向应力作用,通过颗粒破碎体内部颗粒之间的接触破碎来模拟颗粒体的破碎。计算结果表明:本文所提出的微观力学模型可以模拟胶结在一起的大颗粒的破碎过程;颗粒之间的微观力学参数对颗粒破碎过程中的力、塑性滑移、颗粒的转动角有不同程度的影响;力-位移关系曲线在破碎前是线性的,而颗粒破碎时竖向力迅速降低到较小值,并伴有颗粒的转动。     

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.      

岩体结构非平衡演化的有效应力原理及长期稳定性分析

开挖卸荷后的天然岩体往往处于非平衡演化状态, 将直接影响岩体工程结构的正常运行、长期稳定和安全. 时效变形和损伤演化是岩体结构非平衡演化的核心. 在赖斯(Rice) 内变量热力学理论框架下, 提出了岩体结构非平衡演化的有效应力原理, 指出有效应力是总应力中能有效驱动结构演化的部分. 将内变量率形式的非弹性应变率方程和能量耗散率函数表示为有效应力形式, 并提出非弹性余能概念. 给定具体的余能密度函数和内变量演化方程, 得到了考虑损伤的内变量黏塑性应变率方程. 通过相似材料加卸载蠕变试验结果进行参数辨识, 并分别计算了内变量率形式和有效应力形式的黏塑性应变率、能量耗散率和非弹性余能, 并对其进行比较分析. 结果表明:在过渡蠕变和稳态蠕变阶段两种形式的方程计算的黏塑性应变率几乎相等, 但在加速蠕变阶段两者相差较大;非弹性余能和能量耗散率全域积分分别从驱动结构非平衡演化的内在潜力和实际效果的角度表征了结构的非平衡演化状态和演化趋势, 能量耗散率积分更合适用于评价岩体工程结构的长期稳定性. 最后以深埋地下洞室作为工程算例, 并对其长期稳定性进行分析.      

基于微形态模型的颗粒材料中波的频散现象研究

基于颗粒材料冲击与波动响应特性的调控波传播行为的超材料设计受到广泛关注,设计这类材料需要对颗粒材料的波传播机制及调控机理有深入认识. 波在颗粒材料中传播的频散现象及频率带隙等行为与材料的非均匀性密切相关,通常讨论频散现象是基于弹性理论框架建立微结构连续体或高阶梯度连续体等广义连续体模型来进行. 本研究基于细观力学给出了一个颗粒材料的微形态连续体模型. 在该模型中,考虑了颗粒的平动和转动,且颗粒间的相对运动分解为两部分:即宏观平均运动和细观真实运动. 基于此分解,提出了一个完备的变形模式,得到了对应于不同应变及颗粒间运动的宏细观本构关系. 结合宏观变形能的细观变形能求和表达式,获得了基于细观量表示的宏观本构模量. 应用所建议模型考察了波在弹性颗粒介质的传播行为,给出了不同形式的波的频散曲线,结果显示此模型具有预测频率带隙的能力.      

基于微形态模型的颗粒材料中波的频散现象研究

基于颗粒材料冲击与波动响应特性的调控波传播行为的超材料设计受到广泛关注,设计这类材料需要对颗粒材料的波传播机制及调控机理有深入认识.波在颗粒材料中传播的频散现象及频率带隙等行为与材料的非均匀性密切相关,通常讨论频散现象是基于弹性理论框架建立微结构连续体或高阶梯度连续体等广义连续体模型来进行.本研究基于细观力学给出了一个颗粒材料的微形态连续体模型.在该模型中,考虑了颗粒的平动和转动,且颗粒间的相对运动分解为两部分:即宏观平均运动和细观真实运动.基于此分解,提出了一个完备的变形模式,得到了对应于不同应变及颗粒间运动的宏细观本构关系.结合宏观变形能的细观变形能求和表达式,获得了基于细观量表示的宏观本构模量.应用所建议模型考察了波在弹性颗粒介质的传播行为,给出了不同形式的波的频散曲线,结果显示此模型具有预测频率带隙的能力.     

基于深度强化学习算法的颗粒材料应力?应变关系数据驱动模拟研究

颗粒材料的宏观力学行为受颗粒组分等材料参数, 孔隙率、配位数等状态参数的影响, 同时又具备复杂的加载路径和加载历史相关性, 建立包含多个内变量以及各变量间相互关联的颗粒材料本构模型是一个重要的科学难题. 不同于传统的基于屈服面、流动法则和硬化函数框架下的唯象本构模型, 本文基于颗粒物质力学的研究基础, 以颗粒材料平均孔隙率、细观组构参数和弹性刚度参数作为内变量, 结合深度学习方法建立以有向图表征的数据本构模型. 有向图中以不同的链接网络表示不同的内变量信息流动方向, 各个内变量间的映射关系采用循环神经网络来建立, 将各个神经网络相互组合, 形成包含不同内变量且具有不同预测能力的本构模型. 该本构模型的建立过程等价于在众多可能的内变量链接关系空间中寻找最能描述实际材料宏观应力应变行为的优化问题. 因此, 可将有向图本构模型的建立过程看作“马尔可夫决策过程”, 采用深度强化学习算法构建有向图的内变量链接组合优化过程, 具体采用AlphaGo Zero算法自动寻找最优的颗粒材料数据驱动本构模型建模路径. 研究结果表明, 采用有向图和深度强化学习算法可建立起完全依靠“数据驱动”的颗粒材料应力?应变关系. 此外, 本方法提供了一种将不同理论模型从数据角度统一起来, 且基于人工智能算法发展更优模型的研究思路, 可为相似问题的研究提供借鉴.      

一种基于平均场理论的格栅材料均匀化方法

将颗粒材料中发展的一种基于平均场理论的解析均匀化方法应用于二维周期格栅材料;依据尺度分离原理和统计均匀表征元概念构建了格栅材料的两尺度均匀化模型,包括细观杆件单元的本构关系、细观位移-宏观应变关系式以及应力的细观力学表达式;推导了两种二维周期格栅材料等效弹性参数包括弹性模量、泊松比和剪切弹性模量的细观力学表达式。结果表明:等边三角形结构等效为各向同性连续体时,弹性参数表达式与文献中其他方法所得结果一致;正方形结构均匀化为正交各向异性连续体时,主平面内弹性模量等于杆件单元轴向刚度,泊松比和剪切弹性模量分别由杆件单元的泊松比和剪切刚度决定,符合正方形格栅材料的力学特性;对于非主平面内的正方形本构矩阵,选取坐标轴与材料主轴夹角为45°的方向为例进行推导,本文方法与坐标变换方法所得结果一致。以上结果均验证了本文所发展方法的有效性。     

热力学相容的混凝土各向异性单边损伤模型

微裂缝演化(损伤)引起的各向异性和单边效应,对于混凝土材料和结构的变形和内力有非常重要的影响. 在描述单边效应时,已有的各向异性损伤模型均会得出与热力学基本原理相矛盾的结论即损伤卸载时能量耗散不为零. 基于不可逆热力学和内变量理论,直接以材料柔度张量的增量作为损伤内变量,建立了各向异性单边损伤模型的一般形式,给出了热力学相容的投影算子,推导了模型的率本构关系.文中详细发展了模型的Newton-Raphson数值实现算法及其算法一致性模量,建立了合理的损伤准则和演化法则并应用于混凝土材料. 数值模拟结果初步验证了建议模型的有效性. 需要说明的是,模型完全构筑于热力学基础上,无需引入应变 等效或应变能等效等经验性假定.      

花岗岩破坏过程能量演化机制与能量屈服准则

为了明确岩石破坏的能量演化特性，结合单轴实验和颗粒流程序获得花岗岩的细观力学参数，进行不同应力状态的花岗岩实验，研究不同围压下花岗岩破坏过程的能量演化机理并推导能量屈服准则。获得以下主要结论:花岗岩破坏过程中低围压下内部损伤出现较早而高围压较晚，表明低围压花岗岩内部损伤是渐进发展过程，而高围压下内部损伤一旦出现便快速发展破坏；高围压花岗岩峰值前一定应变范围弹性应变能基本保持不变，吸收的能量全部转化为耗散能，表明高围压破坏时花岗岩内部损伤程度严重；弹性应变能经历不断积累并达到弹性储能极限而后减小的变化过程，而弹性储能极限与围压之间存在线性变化规律，因此高围压下岩体开挖卸荷时极易诱发大量弹性应变能的急剧释放，引起围岩失稳甚至发生岩爆；花岗岩峰值破坏时的能量比与围压无关，为一定值；基于能量原理导出了能量屈服准则，该准则包含岩性参数和所有主应力，能够综合反映岩石破坏影响因素。     

岩石破裂过程THMD耦合数值模型研究

从岩石的细观非均匀性特点出发,应用损伤力学、热力学和渗流力学理论,建立了岩体热(温度)-水(渗流)-岩(应力)-损伤耦合数值模型(THMD model),把岩石(体)THM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。探讨了THM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,并运用所提出方法计算温度-渗流-应力耦合作用下井筒近场围岩的稳定性,模拟得到的岩体破坏过程、应力分布、AE特性及渗流特性变化与现场标定结果有着一致的规律性,初步证明了该数值模型的合理性和有效性。THMD模型以简单的数值模型表征了岩石(体)中热、水、岩及损伤之间复杂的作用关系,为从细观损伤演化揭示宏观岩体温度-渗流-应力耦合破坏机制提供了一种新的数值分析方法。     

基于深度学习和细观力学的颗粒材料本构关系研究

颗粒材料的本构关系对岩土工程等众多领域至关重要. 不同于传统的唯象本构理论, 本文基于机器学习模型探索了一种细观力学理论指导下的数据驱动型颗粒材料本构关系预测方法. 根据Vogit均质化假设, 建立了小应变条件下颗粒材料应力?应变解析关系, 此关系唯一地确定了一组与颗粒材料本构行为相关的细观组构变量. 这些变量与反应颗粒材料宏观性质的主应力和主应变信息通过一系列离散元三轴压缩数值试验获得. 考虑到细观组构变量为内变量, 不能直接作为本构模型的输入. 本文基于有向图方法将颗粒材料微观结构信息隐式地包含在应力?应变的预测当中, 并采用门控循环单元(GRU)循环神经网络作为基础深度学习模型描述有向图中结点之间的映射关系. 通过将有向图从目标节点沿源节点展开, 整个应力?应变预测模型可由两个神经网络分别训练并组装而成. 将训练后的深度学习模型在全新的数据集上进行测试, 结果表明该训练策略能有效捕捉到颗粒材料在常规三轴任意加卸载, 等中主应力系数b的真三轴加载, 和等平均有效应力p的真三轴加卸载等复杂多轴加载工况下的应力?应变响应关系, 模型具有良好的内插和外推预测能力. 考虑到深度学习模型捕捉颗粒材料力学响应的能力及其开放式学习的特点, 充分结合数据驱动方法和理论本构模型可能是颗粒材料本构研究的一个重要方向.      

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。