准脆性材料单轴拉伸破坏全过程物理模型研究

试图建立由细观物理元件系统组成的物理模型,根据该模型的运动状态模拟准脆性材料的单轴受拉损伤破坏全过程。修正平行杆模型是基于准脆性材料单轴受拉破坏的宏观表现,考虑损伤材料名义应力和有效应力之间的等价关系,建立的考虑均匀损伤的物理模型。在此基础上,考虑破坏过程中局部软化阶段的尺寸效应,假设拉伸破坏过程发生在宽度一定的断裂过程区内,建立非局部的损伤物理模型——双本构物理模型,推导整个受力过程的本构关系。详细描述整个受力过程所经历的任意损伤状态,从一个新颖的视角对细观非均质材料的破坏机制进行探讨。通过该模型区分开实际试验过程中对应的峰值应力状态和出现宏观裂纹的临界状态,并且根据此临界状态将整个受力过程分为均匀损伤阶段和局部破坏阶段。算例表明,该模型可以较真实地反映准脆性材料在准静态单轴拉伸损伤破坏的整个过程中所表现出来的宏观特性。提出新的材料破坏理论——材料内在力学性能发挥机制理论,认为准脆性材料的整个受力破坏过程受这个内在规律支配。     

泡沫混凝土动态力学性能及本构关系

采用分离式霍普金森压杆(SHPB),对泡沫混凝土进行了不同最大应变率下的冲击试验.结果表明:泡沫混凝土动态应力-应变曲线均呈现出明显的应变率效应,因材料多孔结构的特殊性,整段曲线上下波动较大,在破坏阶段尤为明显;应变软化阶段中应力值并没有快速下降至完全丧失承载力,而是形成了较高的应力平台,并且最大应变率越高,应力平台越长、越显著.从破坏层面分析,较低最大应变率下泡沫混凝土主要呈均匀压实破坏;较高最大应变率下则呈现逐层塌落的破坏形式.借鉴宏观损伤变量及朱-王-唐本构方程,归纳宏观试验结果,通过改进建立了反映泡沫混凝土峰值应力前动态应力-应变关系的等效本构方程.     

再生混凝土的冲击力学特性及本构模型研究

为了解再生混凝土的冲击力学性能,以粗骨料全取代下的再生混凝土试样为材料,利用霍普金森压杆对其进行不同冲击气压下的动态单轴压缩试验,对其动力学特性进行分析,结果表明：冲击荷载下,再生混凝土的应力-应变曲线分为3个阶段,即线弹性阶段、塑性发展阶段和破坏阶段;当应变率小于60 s-1时,再生混凝土的应力-应变曲线存在明显的回弹现象;再生混凝土的动力学参数存在明显的应变率增强效应,其中动态峰值应力与应变率呈线性关系,动态弹性模量与应变率呈指数关系,动态应力增长因子与应变率的自然对数呈指数关系;建立的基于界面脱黏损伤的再生混凝土动态本构模型与试验曲线吻合度良好,该模型可以表征再生混凝土在冲击荷载下的本构曲线特征。为再生混凝土冲击力学性能、动力参数及本构关系的研究提供指导和依据。     

再生混凝土的单轴压缩动态力学性能EI北大核心CSCD

利用再生粗骨料取代天然粗骨料制备再生混凝土,开展了单轴受压动态力学性能试验,研究了应变速率、再生骨料取代率对再生混凝土应力-应变曲线特征、弹性模量、抗压强度和峰值应变的影响.利用统计损伤模型分析了再生混凝土的细观损伤演化规律.结果表明:不同应变速率下再生混凝土的单轴压缩应力-应变全曲线具有相似性,随着应变速率的提高,其抗压强度、弹性模量呈增大趋势,峰值应变则逐渐减小;当取代率为100%时,再生混凝土表现出更显著的应变速率敏感特性;随着应变速率的提高,表征细观损伤非均质演化过程的特征参数呈现出明显规律性的变化,与微结构应变率效应机理、宏观非线性本构行为之间表现出良好的一致性.     

饱和、非饱和岩石损伤统计本构模型探讨

基于统计理论和损伤力学对岩石在荷载作用下的破坏、损伤特征进行了探讨,建立了弹性损伤统计本构模型。在损伤演化方程中全部采用有效应力,并能反映岩石剩余强度。在混合物理论基础上,建立了饱和、非饱和岩石损伤软化统计本构模型。该模型能反映岩石在单轴抗压试验中初始加载阶段全应力-应变曲线稍向上凹曲的特征,以及在岩石受力过程中损伤和空隙(或孔隙)中流体对应力-应变关系所起的作用。与试验结果的比较显示模型是合理的。     

疲劳荷载下大理岩累积损伤过程的应变速率响应

通过不同围压下4种应力比进行应力控制的大理岩等幅循环加卸载三轴压缩试验,探索疲劳荷载作用下岩石累积损伤过程中的应变速率响应特征。结果表明:①在低围压或高应力比条件下岩样易发生疲劳破坏。随循环次数增加,发生疲劳破坏岩样的弹性模量呈急速下降趋势,未发生疲劳破坏岩样的弹性模量小幅波动后趋稳。②加载过程中岩样轴向应变速率随应变发展呈"U"型演化趋势,体变速率随体变发展呈反"L"型演化趋势,临近破坏时轴向应变速率和体变速率均大幅增加。卸载过程中轴向应变速率呈倒"S"型演化规律,体变速率呈"U"型演化趋势。③每次加载的初始和终了应变速率各自均与其对应的残余应变呈线性正相关关系,当次加载的初始应变速率可反映岩样在之前疲劳作用下的累积损伤程度。④新建立的归一化初始应变速率和损伤因子有明显的线性关系,系数K随围压增大或应力比值减小而减小。未破坏岩样在后期循环加载时的归一化初始应变速率和损伤因子曲线出现"弯钩"型回缩现象。     

高吸水性树脂多孔混凝土静态力学特性与损伤本构模型

利用大小可控的球形高吸水性树脂(SAP)与水泥基制成SAP多孔混凝土，对其进行一维应变加载，探究了孔隙率为38%、48%、53%的SAP多孔混凝土静态力学性能及耗能特性。结果表明：SAP多孔混凝土应力-应变曲线具有多孔材料典型的三阶段特征；且孔隙率、平台应力、压实应变对材料能量吸收有显著影响；在密度为997～1321 kg/m³内，SAP多孔混凝土的吸能能力会随孔隙率减小而增加。根据实验结果结合损伤因子和Weibull分布理论，建立了基于SAP多孔混凝土密度的损伤本构模型，得到预测不同密度的SAP多孔混凝土损伤演化行为的本构模型，且模型预测结果与试验结果吻合较好。     

管桁结构直接焊接节点焊材损伤累积演化规律试验研究

管桁结构直接焊接节点焊缝容易发生损伤累积,造成节点局部失效。为此,针对管桁结构直接焊接相贯节点的连接焊缝,制作标准试件进行低周疲劳试验,得到其应力 应变滞回曲线、循环应力幅退化曲线和累积耗能变化曲线,研究节点焊材的损伤累积演化规律。结果表明：循环荷载下焊材表现出循环软化现象,与其母材循环特性存在差别,节点抗震分析中应区别考虑二者本构关系;焊材的损伤累积演化规律主要表现为随着循环周数的增加,其循环应力幅值、卸载刚度和耗能能力逐渐减小;焊材损伤累积破坏分三阶段,其中裂纹萌生和破坏阶段应力幅退化较快,裂纹扩展阶段变化较慢;加载应变幅对损伤累积速率的影响表现为加载应变幅值越大,其损伤退化越快,在母材为Q235的焊材中影响更明显;焊缝形式的影响较小,表现为角焊缝的损伤累积稍大于全熔透焊缝。有限元分析中考虑损伤累积影响,得到的焊材损伤累积演化规律与试验结果较为吻合。     

高强混凝土轴压本构关系研究

基于混凝土的细观损伤机制和损伤本构关系模型,推导了高强混凝土轴压弹塑性本构关系,结合已有研究成果,通过对初始弹性模量、峰值应变等模型关键参数进行综合分析,建立了基于混凝土轴心抗压强度参数的计算方法,所得应力-应变关系(含残余变形)既可用于单调加载,也适用卸载后再加载,可与已有的普通混凝土轴心抗压本构关系相协调,与试验结果相比较,预测结果与实际值吻合良好。     

岩石三维破裂过程的数值模拟研究

采用细观弹性损伤模型和有限元计算方法实现岩石三维破裂过程的数值模拟。考虑到岩石非均匀性的本质特征，通过引入简单直观的单元本构模型，采用细观单元材料性质退化的办法，利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过干旱；模拟单轴压缩、单轴拉伸和剪切破裂3种基本试验，得到岩石非线性应力-应变曲线和不同载荷阶段三维损伤破裂演化系列图像；分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。试验研究表明，三维破裂比二维破裂更为复杂，RFPA^3D可以有效地模拟脆性材料的三维破裂。     

混凝土动态力学性能分析

混凝土结构在爆炸与冲击载荷下的动态力学性能通常是结构的应力波效应和材料的应变率效应。而混凝土结构中的应力波传播特性实际上又依赖于混凝土在高应变率下率型本构关系。本文讨论了这方面的研究进展情况 ,包括混凝土弹性模量、抗压强度、断裂应变等重要强度参数对应变率的相关性 ,特别强调混凝土率型本构关系的研究 ,以及损伤演化的重要性。     

混凝士动态力学性能的试验研究

混凝土结构在爆炸与冲击载荷下的安全分析通常是结构的应力波效应和材料的应变率效应。而混凝土结构中的应力波传播特性实际上又依赖于混凝土在高应变率下率型本构关系。本文利用改装的杆径为74mm的直锥变截面式大尺寸Hopkinson压杆对混凝土材料进行冲击压缩实验,得到应变率约100s-1下的应力-应变全曲线及方程,得出混凝土具有敏感的应变率效应。     

聚丙烯纤维水泥砂浆动态力学特性与本构模型研究

本文通过改进的分离式Hopkinson压杆试验装置,对聚丙烯纤维水泥砂浆进行动态力学性能以及动态损伤本构关系的研究。基于试验结果,得到应力～应变曲线,并对聚丙烯纤维水泥砂浆在不同应变率下的弹性模量、峰值应力和韧度变化规律进行了探讨。根据实验应力应变曲线的基本特征,选择引入朱-王-唐本构模型,并考虑纤维的阻裂作用,对试验结果进行拟合,提出了一种新的聚丙烯纤维水泥砂浆动态损伤本构模型。该模型在考虑聚丙烯纤维增强、应变率硬化、损伤软化等因素下,描述聚丙烯纤维水泥砂浆的动态受力特性。     

岩体在冲击载荷作用下的各向异性损伤模型及其应用

建立了一个各向异性的损伤模型，用于描述岩土工程中预留岩体在冲击载荷下的损伤演化特征。以二阶张量为损伤变量，推导了依赖于损伤变量的弹性模量表达式，利用一个等价状态，建立损伤岩体的本构关系。为了反映冲击载荷下岩石材料的应变率敏感性，对损伤的门槛值进行粘性调整。研究结果表明，该损伤模型能够模拟岩石材料在冲击载荷下的损伤特征，可以为岩土工程中经历过冲击扰动作用的岩体的稳定性分析提供理论依据。     

地震荷载作用下坝及其岩基的脆性动力损伤分析

将损伤、渗流及孔隙率演化等相互耦合的有效应力概念引入Mohr-Coulomb破坏准则，对岩石类的脆性材料建立了一种动力损伤破坏的模型，并应用该模型对地震荷载作用下的坝和岩基的破坏过程进行了脆性动力损伤分析。这种方法从连续损伤力学的观点研究了岩体结构在动力荷载作用下脆性损伤．破坏的突变机理。结果表明，损伤会在坝与岩基的上游坡的结合处由于应力集中而明显地增长。在硬岩基上的坝内，损伤发展比软岩基上灵敏。     

基于三维弹塑性损伤模型的木材非线性分析

为预测木材复杂的受力行为,在弹塑性理论和连续介质损伤力学的框架内建立了木材三维弹塑性损伤本构模型。采用Hill屈服准则和Voce强化模型描述木材受压硬化行为;通过修正后的Hashin破坏准则和指数型损伤演化模型控制木材受拉、受剪的损伤演化过程。基于应变增量法求解本构模型的数值解,并采用Newton-Raphson迭代法求解塑性应变。通过编写用户自定义子程序（UMAT）将本构模型嵌入商业有限元软件ABAQUS,并根据试验结果对本构模型进行了验证。针对木材顺纹和横纹受压试验的数值模拟结果表明,该模型可以有效地描述木材的受压非线性硬化行为。针对木材斜纹受拉试验的数值模拟结果表明破坏准则可以较为准确地识别木材在横纹拉应力和顺纹剪应力作用下的破坏模式,损伤演化模型可以合理地控制木材的损伤演化过程。     

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。     

Particle breakage evolution of coral sand using triaxial compression tests

Particle breakage continuously changes the grading of granular materials and has a significant effect on their mechanical behaviors.Revealing the evolution pattern of particle breakage is valuable for development and validation of constitutive models for crushable materials.A series of parallel triaxial compression tests along the same loading paths but stopped at different axial strains were conducted on two coral sands with different particle sizes under drained and undrained conditions.The tested specimens were carefully sieved to investigate the intermediate accumulation of particle breakage during the loading process.The test results showed that under both drained and undrained conditions,particle breakage increases continuously with increasing axial strain but exhibits different accumulating patterns,and higher confining pressures lead to greater particle breakage.Based on the test results,the correlations between particle breakage and the stress state as well as the input energy were examined.The results demonstrated that either the stress state or input energy alone is inadequate for describing the intermediate process of particle breakage evolution.Then,based on experimental observation,a path-dependent model was proposed for particle breakage evolution,which was formulated in an incremental form and reasonably considers the effects of the past breakage history and current stress state on the breakage rate.The path-dependent model successfully reproduced the development of particle breakage during undrained triaxial compression using the parameters calibrated from the drained tests,preliminarily demonstrating its effectiveness for different stress paths.     

混凝土面板坝面板动力损伤有限元分析

联合采用混凝土塑性损伤模型和堆石料弹塑性本构模型,建立了面板堆石坝弹塑性动力分析方法,研究了地震荷载作用下混凝土面板的损伤发生和发展过程。计算结果表明：地震时,在0.65H（H为坝高）附近顺坡向拉应力最大,面板首先在该部位出现损伤,同时由于鞭稍效应,0.85H面板附近也出现损伤;采用损伤模型,损伤部位的面板出现软化,应力得到释放,计算结果比线弹性模型更加合理;采用塑性损伤模型可以反映混凝土面板渐进破坏过程,通过损伤变量可以清晰地了解面板的损伤分布和薄弱环节。此研究成果可以为进一步开展混凝土面板堆石坝极限抗震能力及抗震措施分析提供有效手段。     

钢-混凝土混合结构振动台试验的弹塑性损伤分析

通过LS-DYNA程序,二次开发了钢材和混凝土单轴弹塑性损伤本构模型,其中钢材损伤模型采用混合强化准则,可考虑材料的Bauschinger效应;混凝土损伤模型定义了拉、压两个损伤指数,能较为准确地模拟混凝土单边效应、箍筋约束效应等。结合程序中基于显示算法的纤维单元,建立了结构整体数值分析模型,并通过一个缩尺比例为1∶4的3层钢-混凝土混合结构模型振动台试验,验证了数值分析模型的分析精度,数值模拟得到了模型结构的损伤发展过程。此外提出一种通过实测应变反演应变测试部位材料的应力和损伤发展的方法,研究表明,应变反演能充分利用应变测试数据,获得材料应力和损伤发展过程,并对结构的性能退化进行评估。