脆性微裂紋材料及構(gòu)件的損傷跨尺度演化分析理論與計(jì)算方法.pdf

1、從微細(xì)觀尺度上看，混凝土、巖石等脆性固體材料先天上就存在大量的微裂紋。盡管工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析時(shí)忽略其中的微裂紋將其視為宏觀連續(xù)材料，但在材料與結(jié)構(gòu)的破壞分析中，這些先天的微裂紋是不可忽略的決定性因素。本文的目標(biāo)是研究這類(lèi)脆性固體材料中以微裂紋擴(kuò)展為主導(dǎo)的損傷跨尺度演化致破壞的過(guò)程，建立其分析理論和計(jì)算方法。為此本文將混凝土巖石這類(lèi)脆性材料稱(chēng)之為“脆性微裂紋材料”以特別關(guān)注從模擬微裂紋特性出發(fā)的損傷跨尺度演化問(wèn)題。本文對(duì)混凝土材料及構(gòu)件的

2、破壞進(jìn)行了全面的數(shù)值模擬研究，主要工作覆蓋了單個(gè)骨料破壞、混凝土材料層次的破壞、混凝土梁構(gòu)件層次的破壞以及疲勞破壞等多個(gè)方面。研究過(guò)程中發(fā)展出了脆性微裂紋材料破壞的損傷跨尺度演化的數(shù)值模型和界面裂紋擴(kuò)展計(jì)算模型。通過(guò)自行設(shè)計(jì)微裂紋擴(kuò)展的模擬算法、形成了較成熟的模塊化程序，采用二次開(kāi)發(fā)的方式在商用有限元軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了上述分析理論與計(jì)算方法。本文的主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　1.發(fā)展了界面裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的數(shù)值計(jì)算模型
　　在研

3、究單個(gè)骨料界面/基體裂紋連續(xù)擴(kuò)展的過(guò)程中，本文發(fā)展出一個(gè)界面裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的數(shù)值計(jì)算模型。由于目前的有限元商用軟件無(wú)法實(shí)現(xiàn)界面裂紋的不指定方向擴(kuò)展，本文對(duì)商用軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，解決了上述擴(kuò)展問(wèn)題，可成功模擬界面裂紋向基體擴(kuò)展（成為普通裂紋）的過(guò)程。
　　2.研究了單骨料體元的破壞規(guī)律
　　以此為工具，研究了混凝土骨料/基體界面裂紋的行為規(guī)律?？疾炝巳齻€(gè)因素（邊界約束條件、骨料方向，界面斷裂能）對(duì)骨料/砂漿界面破壞行為的影響。研

4、究發(fā)現(xiàn)，側(cè)向拉伸約束、顆粒與拉伸夾角減小、界面斷裂能增大會(huì)提高界面破壞強(qiáng)度。骨料/砂漿界面裂紋擴(kuò)展有兩個(gè)特點(diǎn)，1）界面裂紋的擴(kuò)展路徑為:先擴(kuò)展到長(zhǎng)軸的兩端，然后進(jìn)入基體;2）裂紋沿界面上的擴(kuò)展呈現(xiàn)脆性的性質(zhì)，一般為不穩(wěn)定擴(kuò)展。上述三個(gè)因素基本不改變?cè)摂U(kuò)展模式。因此，可將界面裂紋通過(guò)映射處理成普通裂紋，這在模擬多相體內(nèi)部缺陷擴(kuò)展時(shí)可規(guī)避處理力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜的界面裂紋問(wèn)題，該結(jié)論是后文所提出的混凝土微觀多裂紋數(shù)值模型的基礎(chǔ)之一。單個(gè)骨料界面破壞

5、的強(qiáng)脆性還說(shuō)明，只考慮單個(gè)骨料破壞所得到的結(jié)論不能到推及至整個(gè)混凝土材料。
　　3.提出了準(zhǔn)脆性材料破壞的微裂紋跨尺度擴(kuò)展數(shù)值模型
　　在上述研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合Krajcinovic混凝土模型的學(xué)術(shù)思路，本文發(fā)展出一個(gè)模擬準(zhǔn)脆性材料破壞的微觀多裂紋模型。本模型只含有幾個(gè)最基本的假設(shè)和前提，直接從混凝土破壞的微觀機(jī)理以及最基本的線彈性斷裂力學(xué)理論出發(fā)，可模擬微裂紋萌生、匯聚、宏觀裂紋形成及動(dòng)態(tài)擴(kuò)展直至破壞的全過(guò)程。在此過(guò)程

6、中，解決了多裂紋擴(kuò)展中裂紋的聚合、連接和交匯這一關(guān)鍵問(wèn)題，可成功模擬復(fù)雜的多裂紋擴(kuò)展形態(tài)。在對(duì)商用軟件的二次開(kāi)發(fā)過(guò)程中，模塊化上述算法，具有一定的通用性。
　　4.進(jìn)行了拉伸試樣的數(shù)值實(shí)驗(yàn)與破壞機(jī)理研究
　　利用上述微觀多裂紋模型進(jìn)行拉伸破壞的模擬，考察骨料配比對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，探討構(gòu)件拉伸破壞的機(jī)理與規(guī)律。結(jié)果表明，拉伸破壞具有單主裂紋和多主裂紋兩種失效模式;混凝土強(qiáng)度隨骨料體積比的增加強(qiáng)度呈現(xiàn)先下降后提高的V曲線趨

7、勢(shì);骨料體積比增加使得混凝土能夠更好得耐受損傷，脆性減小，延展性變大。總的來(lái)說(shuō)，在骨料級(jí)配保持不變的情況下，增加骨料比例總體上可以改善材料的力學(xué)性能，但骨料比例不能過(guò)低，20％到40％區(qū)間范圍內(nèi)的混凝土材料性能與低配比混凝土相比，力學(xué)性能反而得不到提高。
　　5.建立了同時(shí)包含宏觀模型和上述微觀多裂紋模型的多尺度模型
　　利用并行多尺度的建模策略，建立同時(shí)包含宏觀模型和上述微觀多裂紋模型的多尺度模型。在混凝土破壞的重點(diǎn)區(qū)域建

8、立微觀的多裂紋模型，而在非重點(diǎn)區(qū)域建立宏觀模型，這兩種區(qū)域的界面通過(guò)位移協(xié)調(diào)的方法加以連接。本模型一定程度平衡了純微觀模型的計(jì)算效率問(wèn)題，在本文中主要用于混凝土梁的破壞模擬。
　　6.進(jìn)行了混凝土強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的數(shù)值實(shí)驗(yàn)與機(jī)理研究
　　利用上述多尺度模型進(jìn)行了混凝土強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的數(shù)值實(shí)驗(yàn)，并從缺陷跨尺度演化的角度探討了發(fā)生機(jī)理。結(jié)果表明，試樣尺寸增大，名義強(qiáng)度減小，斷裂能增大，力學(xué)性能離散度減小;相比于Bazant尺寸律，數(shù)值

9、分析數(shù)據(jù)更符合Carpinteri尺寸律。缺陷跨尺度的非線性串級(jí)發(fā)展可能是導(dǎo)致混凝土尺寸效應(yīng)的原因之一。
　　7.進(jìn)行了混凝土梁的疲勞破壞數(shù)值模擬
　　在上述多尺度模型的基礎(chǔ)上，引入疲勞裂紋擴(kuò)展率，實(shí)現(xiàn)了混凝土梁的疲勞破壞數(shù)值模擬。梁疲勞破壞模型的特點(diǎn)在于每一計(jì)算步中，多個(gè)裂紋會(huì)同時(shí)擴(kuò)展。對(duì)同一試樣在不同的疲勞應(yīng)力水平下進(jìn)行了疲勞數(shù)值實(shí)驗(yàn)，獲得的混凝土疲勞破壞的S-N曲線與實(shí)際情況相符，模擬得出的破壞形態(tài)與已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也基本