本文關(guān)鍵詞：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

  更多相關(guān)文章： 準(zhǔn)脆性材料 混凝土破裂 細(xì)觀力學(xué) 斷裂力學(xué) 裂紋聚合 多尺度

【摘要】：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)算在研究單個(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-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)催在上述研究結(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)行了混凝士強(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�。幌啾扔贐azant尺寸律,數(shù)值分析數(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)行了混凝士梁的疲勞破壞數(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)也基本符合。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：O346.1

【相似文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 馮西橋,余壽文;計(jì)算微裂紋損傷材料有效模量的一種簡(jiǎn)單方法[J];力學(xué)學(xué)報(bào);2001年01期

2 葛東云,陸明萬(wàn),劉元鏞;動(dòng)載荷作用下微裂紋的增韌分析[J];應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào);2003年01期

3 黃鵬;黃佩珍;;內(nèi)壓對(duì)電場(chǎng)下晶內(nèi)微裂紋演化的影響[J];計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào);2012年04期

4 方敏杰;任會(huì)蘭;寧建國(guó);;準(zhǔn)脆性材料中橢圓形微裂紋的生長(zhǎng)與演化[J];材料工程;2013年02期

5 徐春風(fēng);黃佩珍;;力、電、熱作用下晶內(nèi)微裂紋的演化[J];工程力學(xué);2013年06期

6 柯孚久,祁祥麟,白以龍,李勁松;一維微裂紋的統(tǒng)計(jì)演化[J];航空學(xué)報(bào);1990年03期

7 柯孚久,白以龍,夏蒙棼;理想微裂紋系統(tǒng)演化的特征[J];中國(guó)科學(xué)(A輯 數(shù)學(xué) 物理學(xué) 天文學(xué) 技術(shù)科學(xué));1990年06期

8 白以龍,柯孚久,夏蒙棼;固體中微裂紋系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)演化的基本描述[J];力學(xué)學(xué)報(bào);1991年03期

9 鐘國(guó)輝;倪新華;劉協(xié)權(quán);趙磊;孫濤;;含界面微裂紋顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的有限元分析[J];兵器材料科學(xué)與工程;2010年06期

10 董聰，，何慶芝;微裂紋演化過(guò)程中分岔與混沌現(xiàn)象的描述及若干問(wèn)題探討[J];力學(xué)進(jìn)展;1994年01期

中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 李騰;楊衛(wèi);;位移載荷下微裂紋期望擴(kuò)展長(zhǎng)度[A];疲勞與斷裂2000——第十屆全國(guó)疲勞與斷裂學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2000年

2 馮西橋;余壽文;;包含微裂紋相互作用效應(yīng)的準(zhǔn)細(xì)觀損傷力學(xué)模型[A];疲勞與斷裂2000——第十屆全國(guó)疲勞與斷裂學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2000年

3 張海龍;黃佩珍;孫軍;;純鐵內(nèi)部疲勞微裂紋的熱擴(kuò)散愈合過(guò)程分析[A];2007軋鋼與鍛造過(guò)程中的裂紋控制技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C];2007年

4 馬桂華;;40Cr表面微裂紋控制[A];第十七屆（2013年）全國(guó)煉鋼學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（B卷）[C];2013年

5 劉道森;趙春旺;;單晶硅微裂紋形貌及應(yīng)變場(chǎng)的納觀實(shí)驗(yàn)研究[A];第十二屆全國(guó)實(shí)驗(yàn)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2009年

6 方敏杰;寧建國(guó);任會(huì)蘭;;考慮微裂紋相互作用的氧化鋁陶瓷一維應(yīng)力本構(gòu)模型[A];第十二屆現(xiàn)代數(shù)學(xué)和力學(xué)會(huì)議論文集[C];2010年

7 陸永浩;張永剛;喬利杰;褚武揚(yáng);;片層取向?qū)訝頣iAl微裂紋萌生的影響[A];疲勞與斷裂2000——第十屆全國(guó)疲勞與斷裂學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2000年

8 王朋波;姚振漢;;含大量微裂紋脆性固體有效模量的數(shù)值計(jì)算[A];北京力學(xué)學(xué)會(huì)第12屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文摘要集[C];2006年

9 朱勛;;小口徑薄壁工件微裂紋超聲波檢測(cè)技術(shù)研究[A];2006年西南地區(qū)第九屆NDT學(xué)術(shù)年會(huì)暨2006年全國(guó)射線檢測(cè)新技術(shù)研討會(huì)論文集[C];2006年

10 劉協(xié)權(quán);倪新華;張淑琴;高克林;;含弧形微裂紋的金屬陶瓷復(fù)合材料的局部應(yīng)力場(chǎng)[A];2008全國(guó)功能材料科技與產(chǎn)業(yè)高層論壇論文集[C];2008年

中國(guó)重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 何宇明 胡兵;中厚板表面微裂紋成因和預(yù)防措施分析[N];世界金屬導(dǎo)報(bào);2014年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前5條

1 鄭志嘉;沖擊加載下脆性材料中失效波的形成機(jī)理研究[D];北京理工大學(xué);2015年

2 吳佰建;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[D];東南大學(xué);2015年

3 任中俊;基于橢圓形微裂紋變形及擴(kuò)展的巖石混凝土三維細(xì)觀損傷模型[D];重慶大學(xué);2008年

4 馮西橋;脆性材料的細(xì)觀損傷理論和損傷結(jié)構(gòu)的安定分析[D];清華大學(xué);1995年

5 曹林衛(wèi);基于橢圓形微裂紋變形與擴(kuò)展的準(zhǔn)脆性巖石細(xì)觀損傷—滲流耦合本構(gòu)模型[D];重慶大學(xué);2010年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 邊寶龍;力、電作用下晶內(nèi)微裂紋的演化[D];南京航空航天大學(xué);2009年

2 王遠(yuǎn)鵬;裂面形貌擾動(dòng)和外載對(duì)微裂紋演變的影響[D];南京航空航天大學(xué);2007年

3 黃鵬;多場(chǎng)作用下晶內(nèi)微裂紋的演化[D];南京航空航天大學(xué);2010年

4 徐春風(fēng);力、電、熱作用下微裂紋的演化[D];南京航空航天大學(xué);2012年

5 李曉偉;力、電作用下晶內(nèi)微裂紋和沿晶微裂紋的演化[D];南京航空航天大學(xué);2014年

6 李志剛;在外載荷下金屬材料內(nèi)部微裂紋的演化[D];南京航空航天大學(xué);2008年

7 肖華磊;考慮表面微觀粗糙度的輪軌接觸表面微裂紋擴(kuò)展研究[D];西南交通大學(xué);2010年

8 張周周;力、電誘發(fā)多種質(zhì)流下金屬材料內(nèi)部晶內(nèi)微裂紋的演化[D];南京航空航天大學(xué);2012年

9 侯方;鎳基高溫合金微觀疲勞性能的實(shí)驗(yàn)研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2009年

10 李華清;平面微裂紋擴(kuò)展的計(jì)算機(jī)模擬與相關(guān)試驗(yàn)[D];蘭州理工大學(xué);2004年

本文編號(hào)：1287127