基于能量方法的结构性土体损伤演化规律研究

结构性土体的力学特性具有明显的损伤破损效应。根据岩土材料复合体损伤理论,结构性土体可看作是由结构相和损伤相各占一定比例的复合材料。结构性土体的损伤过程本质上是土体中结构相的变形能向相变损伤耗散能转化,相变损伤耗散能促使结构相退变为损伤相的损伤发展过程。从任意方向截面上看,结构相表面损伤后即变为损伤相的表面。基于此认识,把结构性土体的损伤变量与结构相、损伤相所占的截面面积联系起来,从而与经典连续介质损伤力学中关于损伤变量的定义一致。将土体结构的损伤引起的外力多做的那部分功定义为相变损伤耗散能,并将此引入到土体的能量平衡方程中。通过对结构性土代表体元的能量分析,推导了基于结构损伤耗能条件下的损伤演化方程,给出了模型参数的确定方法。最后将试验结果和本文方法的结果进行对比,表明本文方法能较好反映土体损伤演化规律。     

岩石变形破坏过程耗散结构理论分析及损伤模型

将岩石视为系统,运用耗散结构理论分析能量在岩石系统形成有序耗散结构过程中的作用机制,揭示能量演化与强度变化、缺陷系统演化之间的关系和规律,在此基础上,以耗散能为参量建立描述缺陷系统演化过程的非线性动力学方程,推导耗散能演化方程,采用非线性最小二乘法对多种岩石的耗散能演化试验数据进行回归分析,验证耗散能演化方程的正确性。基于能量耗散和耗散能演化方程定义损伤变量表达式,从而得到能够反映岩石内部能量和力学作用机制的损伤演化方程。依据连续损伤理论建立考虑残余强度的岩石三维损伤本构模型,通过与多种岩石不同围压下的试验应力应变曲线进行对比,分析表明理论曲线与试验曲线吻合良好,所建损伤本构模型可以很好地描述复杂应力环境下岩石材料的变形与强度特性。     

三轴循环加卸载下深部煤体损伤的能量演化和渗透特性研究

为了分析煤矿开采过程中煤体损伤的能量演化规律和渗透特性,采用控制围压、加卸载轴压的方式开展三轴循环加卸载渗流试验,分析在不同围压下弹性参数(弹性模量、泊松比)、能量密度随着轴向应变的演化特征,并引入弹塑性材料的损伤变量,进而探讨损伤变量和渗透率的关系。结果表明:在加卸载过程中,进入屈服阶段后,弹性模量开始降低,耗散能密度、耗散能比例以及损伤变量逐渐增大,进入峰后阶段后演化加剧,说明岩石破坏是一个能量耗散的损伤演化过程;以应力屈服点为分界点,屈服前渗透率和损伤变量呈现幂函数关系;屈服后二者具有较好的指数函数关系,并拟合出不同围压下二者的关系公式;渗透率随围压的增加而减小,说明围压对渗透有抑制作用。     

能量耗散弹性损伤本构方程及其在围岩稳定分析中的应用

在内变量不可逆热力学的理论框架下，应用能量耗散的基本原理，求解弹性损伤的等效应变和损伤演化方程，建立损伤屈服准则。应用考虑能量耗散的本构方程，求解大型地下洞室围岩稳定问题，从分析结果能够给出洞室围岩损伤演化区的范围和损伤值的大小，进而判断洞室围岩何处发生损伤和断裂。认为损伤值等于1．0时，材料发生完全断裂，此时材料的破坏分析应借助宏观断裂力学的手段来进行。因此，该法为工程分析提供了细观上的理论依据，同时也为宏观分析提供了手段。     

高围压下深部大理岩变形特性与能量演化试验研究

岩石材料受力变形破坏与能量的演化密切相关。采用GCTS RTX-4000高温高压动态岩石三轴仪对大理岩进行了单轴、三轴压缩试验,研究了围压效应对大理岩力学变形、破坏模式及能量演化规律。结果表明,围压增大导致大理岩在变形方面表现出“脆-延-塑”转化特征;在破坏形式方面由轴向劈裂破坏逐渐向斜剪拉裂破坏发展;在能量演化方面表现出总能量、弹性能和耗散能与围压具有正增长关系;在损伤方面,基于耗散能计算损伤变量,发现随围压的增加,大理岩损伤变量数值逐渐增大,二者表现出正相关关系,并且损伤变量与轴向应变呈四次多项式增长规律。     

混凝土的非局部损伤本构模型研究

本文以塑性应变与非局部损伤作为内变量 ,引人耗散势 ,基于连续损伤力学和热力学第二定律 ,建立起一个能全面描述混凝土材料本构行为的非局部非弹性损伤本构方程 ,其单向拉伸与压缩状态下混凝土的计算结果及其绘出的应力与应变关系曲线 ,与实验结果是相当吻合 ,表明研究成果与实际材料相当符合     

岩石变形破坏过程中的能量耗散分析

岩石作为一种复杂的非均质地质材料，其力学响应表现出明显的非线性和各向异性特点。岩石在变形破坏过程中始终不断地与外界交换着物质和能量，是一个能量耗散的损伤演化过程。采用损伤演化方程可以从宏观上描述损伤变量以及与其相伴的广义热力学力——损伤能量释放率的变化规律。进一步通过细观损伤力学的研究，可以揭示岩石变形破坏过程中能量耗散的内在机制。围绕这一基于能量耗散的岩石力学研究思路及其相关进展，最终将建立基于损伤演化及能量耗散的宏．细．微观多层次耦合的岩石力学体系，这有助于更准确地解决岩石工程领域中更多的力学分析问题。     

基于能量耗散理论冻土本构模型的研究

通过损伤理论中的有效应力与损伤影响张量来表现冻土的损伤。冻土耗散函数表示成塑性耗散（DP屈服准则）和损伤耗散之和的形式,其中塑性耗散函数中耦合了损伤变量。通过弹塑性及损伤的演化过程,建立了冻土弹塑性损伤增量本构模型,并给出了其有限元格式。     

基于能量耗散的混凝土塑性-损伤模型

应用连续介质损伤力学和塑性流动理论,建立了基于能量耗散机制的塑性-损伤耦合模型。模型采用非关联塑性流动法则描述混凝土不可恢复变形的演化。模拟刚度退化的损伤变量演化函数则通过断裂能和应力-非弹性应变空间中的累积耗散能量建立。基于有限元程序ABAQUS,推导了增量格式的材料雅可比矩阵,构建了塑性-损伤模型的仿真分析程序。应用模型分析混凝土板平面内双轴受压试验、混凝土切口梁试验和钢筋混凝土梁受弯试验,计算获得的构件响应与试验结果吻合良好,能够反映多轴应力状态对混凝土抗压强度的影响,也能准确模拟损伤导致的构件非线性反应。     

冲击荷载作用下灰岩的能量耗散及损伤演化规律研究

利用改进后的直径50 mm的分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对灰岩试件施加不同加载速率的冲击压缩试验,分析了试验中灰岩试件的能量耗散特征;通过基于Weibull分布的动态统计损伤理论并结合试验曲线分析了灰岩的损伤演化规律,并探讨了最大损伤变量与能量耗散密度的关系。研究结果表明:透射、吸收、反射能量受入射能量的影响显著,并且透射能的相关性最显著;能量耗散密度随应变率的增加而显著增加,呈现较好的线性正比关系,能量耗散密度为零时的临界应变率为62.56 s^-1;动态抗压强度与应变率呈指数函数关系;灰岩试件的能量吸收率随应变率的提高而显著减小。基于Weibull分布的动态损伤本构模型的计算曲线与试验曲线较为一致,损伤变量D随应变的增加而逐渐增加,在应力应变曲线峰值处,损伤变量D存在一个明显的拐点,损伤在此处开始急剧增大;灰岩的最大损伤变量D_max与能量耗散密度呈较强的对数函数关系,存在D_max为零时的临界能量耗散密度值。     

循环荷载作用下岩石损伤变形与能量特征分析

针对不同围压作用下的岩石损伤变形与能量特征,开展了循环加卸载试验研究。基于原有损伤变量原理,进行修正,探讨了岩石在不同的偏应力量级下,每次循环的耗散能、损伤变量、塑性变形等与循环次数、应力之间的相互关系;进而,得到了岩石损伤破坏过程中能量的转化规律,从能量损耗的角度定量分析了岩石疲劳破坏的门槛值。试验研究结果表明：①应力水平越高、损伤变量与塑性变形越大,一次循环的能耗值越大,滞回圈的面积也就越大;②在门槛值前后,耗散能、损伤变量与塑性应变随着循环次数的增加变化趋势明显不同,并且在破坏前也呈疏00097;密00097;疏的发展过程;③不同的围压下,岩石疲劳破坏时所处的损伤状态不同,但破坏前循环一次的能耗值与损伤变量近似成线性关系,进而基于循环能耗值与损伤变量建立了能量破坏方程。     

土体结构性损伤模型研究

结构性土体具有明显的损伤破损效应,结构性土体可看作是重塑土附含有一定的结构性。在荷载作用下,结构性土体的结构性逐渐消失,即土体的结构性发生损伤,直至结构性土体转化为重塑土。基于此认识,可将结构性土体的损伤变量与经典连续介质损伤力学中关于损伤变量的定义一致,同时也是经典损伤力学的扩展。将损伤而耗散的能量定义为损伤耗散能,并引入到土体的能量平衡方程中。通过对结构体元的能量分析,推导了相应的损伤演化方程,并给出了模型参数的确定方法。最后将试验结果和本文方法的结果进行对比,结果表明本文方法能较好反映土体损伤演化规律。     

黄土弹塑性损伤本构模型

 通过对黄土在加载和增湿作用下能量的耗散和转换过程,以及黄土结构在加载和增湿作用下的破损规律分析,提出了黄土的增湿损伤变量的定义,并给出用与含水量或饱和度有关的增湿损伤的等效能量指标来描述增湿损伤的演化过程。参照J. C. Simo提出能量指标概念,提出黄土的加载损伤的能量指标,并通过黄土加载过程中的结构破坏过程、力学和强度指标的劣化分析,提出黄土的加载损伤演化方程。对黄土的常规三轴试验和压缩试验分析,提出符合相关联流动法则的以塑性功为硬化参数的椭圆形塑性加载函数。通过提出的塑性加载函数、加载损伤演化方程和增湿损伤演化方程,根据损伤力学和塑性力学理论推导出黄土弹塑性损伤本构关系,建立黄土的弹塑性损伤本构模型。     

Damage detection in beam-like structures using static shear energy redistribution

In this study, a static shear energy algorithm is presented for the damage assessment of beam-like structures. According to the energy release principle, the strain energy of a damaged element suddenly changes when structural damage occurs. Therefore, the change in the static shear energy is employed to determine the damage locations in beam-like structures. The static shear energy is derived from the spectral factorization of the elementary stiffness matrix and structural deflection variation. The advantage of using shear energy as opposed to total energy is that only a few deflection data points of the beam structure are required during the process of damage identification. Another advantage of the proposed approach is that damage detection can be performed without establishing a structural finite-element model in advance. The proposed technique is first validated using a numerical example with single, multiple, and adjacent damage scenarios. A channel steel beam and rectangular concrete beam are employed as experimental cases to further verify the proposed approach. The results of the simulation and experiment examples indicate that the proposed algorithm provides a simple and effective method for defect localization in beam-like structures.     

基于小波能量的钢丝绳断丝损伤信号处理

提出了利用小波能量作为钢丝绳断丝损伤信号处理的1个特征量．根据Parseval能量积分等式从理论上推导了小波变换系数具有能量的量纲,将小波能量引入钢丝绳断丝信号处理中是可行的．通过对信号进行多层离散小波分解建立了小波能量求解的方程式,计算不同频带内钢丝绳断丝损伤信号的能量值,这些频带内的能量统计是在时域波形上进行的,体现了小波分析具有时频分析能力．最后针对不同的断丝损伤情况,分别求解各个频带内的小波能量值,修正了应用于钢丝绳断丝损伤信号处理的小波能量计算公式．试验结果表明小波能量表征断丝信号的1个特征量是有意义的．     

对称配筋钢筋混凝土构件基于耗能能力退化的损伤模型与性能标准

为了研究钢筋混凝土构件在地震作用下的性能评估方法,建立合理的损伤模型量化损伤,基于对称配筋钢筋混凝土（RC）构件在变幅滞回历程下耗能能力损伤机理,在研究了RC构件耗能能力退化和设计参数之间量值联系和建立耗能能力估算方法的基础上,提出了对称配筋RC构件基于耗能能力退化的损伤量化指数。基于已有不同配筋条件的9个RC构件在变幅历程下的往复加载试验,研究耗能能力损伤量化指数的评价标准。研究表明：提出的耗能能力损伤量化指数可以对不同变幅历程下的损伤过程给出统一的性能划分标准,并提出了RC构件对应于无损、轻度损伤、中度损伤、重度损伤和破坏的5个性能状态的耗能能力损伤量化指数区间;通过PEER数据库中18个受弯破坏试件对该标准进行了验证,结果具有较好的一致性。     

单轴静–动相继压缩下单裂隙岩样力学响应及能量耗散机制颗粒流模拟

 针对采矿岩柱体等的静–动相继单轴压缩受力特征,采用颗粒流数值模拟试验,探讨初始单轴静态压缩的细观损伤程度对单轴动态压缩下单裂隙岩样力学性质的影响规律,并阐述其能量耗散机制。静载初始损伤程度对后续动态压缩岩样应力–应变曲线形态的影响不大,损伤岩样具有较明显的峰前损伤和峰后裂隙贯通的渐进性突跃特征。相对于全程动态压缩而言,随着初始损伤的增强,岩样强度减小明显。但后续动态压缩对岩体强度的增加起主要贡献。随初始损伤的增强,裂隙尖端法向和切向破裂应力均略有减小。随着裂隙倾角的增大,裂隙尖端法向破裂应力明显减小而切向却明显增加。初始损伤程度并不改变后续动态应变率加载岩体的最终宏观破裂模式,但初始损伤变量越大,微裂纹数量越多且局部化程度越强。能量耗散与岩体细观损伤演化具有较好的相关性。初始损伤越强,吸收相对较小的能量即可达到峰值破坏但峰后耗散能越多。随着裂隙倾角的增大,峰值强度处耗散能和储存弹性应变能更多,峰后破碎程度越高。     

基于小波理论对混凝土损伤特性的试验研究

针对几种不同强度等级的标准混凝土立方体试块进行了冲击加载试验,对冲击荷载作用后混凝土的损伤特性进行探索性研究。研究表明:冲击载荷作用下不同强度混凝土损伤变化幅值不同,其内部损伤表现出各向异性,混凝土强度越大抗冲击能力越强;利用超声波波速来描述材料内部损伤,并由小波变换消噪方法对超声波信号处理后,首波到达时间(声时)的判读既准确又合理;超声波信号经小波分解后各频段能量分布规律随损伤变化有较明显的变化,采用某一频段能量分布描述损伤,表明能量比声速对损伤更敏感。