多尺度损伤本构模型及其在岩土力学中的应用

多尺度模拟是近年来岩土材料研究领域的热点之一。青年基金项目“多尺度损伤本构模型及其在岩土力学中的应用”是本人在岩土材料多尺度本构理论研究方面的拓展和深化。研究内容主要包括裂隙岩石多尺度非局部化损伤本构理论、基于实验数据的数值模拟以及相关的多尺度数值方法等三个方面。通过三年的努力，项目研究圆满完成了各项任务，提出了一个仅包含五个参数的各向异性单边损伤摩擦耦合模型，开展了水力耦合和时效变形本构模型研究，研制了相关的数值程序，基于脆性岩石材料完成了模型的数值验证；开发了基于一种弹性问题Lippmann-Schwinger方程的增量迭代无网格算法，并利用图像分析技术获取的混凝土细观结构进行了数值模型；在基于细观力学的强度准则及参数跨尺度关联、强耦合非线性模型的解析解等方面取得了超出预期的研究成果。该项目提供了一个损伤和破坏机理清晰、参数少且物理意义明确的统一的多尺度岩石力学本构模型，研究表明基于单边损伤和摩擦耦合分析能够解释和模拟准脆性岩石类材料绝大部分的物理现象和力学行为；提出的数值算法为各向异性强耦合本构模型用于大型岩体结构的分析提供技术支撑。 2100433B

多尺度方法致力于从材料的细观结构及其变化等信息来描述和模拟其宏观的物理力学行为。例如基于颗粒间的受力网络、接触和滑移可以建立颗粒材料宏观的应力-应变关系。对于裂隙岩体，基于均质化理论的细观损伤本构模型能够有效描述裂纹的发展、空间分布、张开或闭合状态以及裂隙面的摩擦等复杂现象，因而更适于模拟材料的各向异性和非线性力学行为。多尺度方法已被认为是研究材料本构的有效工具。本项目拟在连续损伤本构理论方面开展探索性研究，力求解决以下三个理论应用问题：1) 建立现象学损伤模型和细观损伤模型之间的内在联系，结合两类损伤模型的优点发展新的损伤模型，基于均质化方法，实现损伤摩擦耦合模型向水-热-力学多场耦合模型的扩展；2) 探索损伤非局部化的新方法，消除结构计算中由于应变软化引起的网格依赖现象；3) 发展一种多尺度数值方法，模拟从材料损伤到结构破坏的非线性过程。

本书介绍了作者带领的研究团队十多年来在大型土木结构损伤多尺度模拟与分析领域的主要研究成果及其在结构抗震分析、桥梁疲劳损伤预后分析中的应用。本书主要内容包括：微细、宏观尺度上材料与结构的损伤特征观测与分析，不同尺度上材料与结构损伤的合理表征及其量化方法，结构损伤多尺度分析的基本方程与计算方法，结构损伤多尺度分析的实施流程及其验证，损伤跨尺度演化致混凝土构件局部失效的模拟与分析，混凝土结构损伤演化致失效过程的多尺度跨层次自适应模拟与分析，以及大跨桥梁钢箱梁结构疲劳损伤演化过程的多尺度跨层次模拟。本书同时介绍了这些理论与方法在钢筋混凝土框架结构损伤失效分析与重大桥梁工程结构疲劳损伤演化过程模拟中的应用。

作为人体重要的器官的骨组织是一种结构极为复杂的生物复合材料，其损伤力学行为研究本身具有相当大的难度，而骨组织的损伤演化对人体健康也具有重大意义。本项目针对目前骨损伤理论模型简单无法反映骨各向异性多尺度损伤的问题，引入微裂纹扩展区细观损伤力学理论，基于多尺度的实验观察，在骨单元和骨内线裂纹两个尺度分别建立各自的损伤本构和演化方程；利用数字散斑相关方法对骨的两尺度损伤力学行为进行观测，通过实验识别不同尺度的损伤模型参数；选取合适的损伤变量，将两个尺度的损伤本构耦合组成跨尺度的骨损伤力学本构模型；最后基于新建立的损伤力学模型，考虑骨的重建修复作用，模拟一些典型的与骨损伤有关的临床案例，验证模型的有效性和可靠性。本项目从具体的骨材料结构特点出发，结合现代实验技术手段验证与补充的研究方法，可以推动细观损伤力学理论与方法在骨的损伤领域得到更好地应用，使对骨损伤的定量理论描述更加精确。

第一章绪论

第二章微细、宏观尺度上材料与结构的损伤特征观测与分析

2.1金属结构焊接区的微细观缺陷及其演化特性

2.1.1焊接结构内部缺陷探测

2.1.2两类主要初始缺陷

2.1.3细观裂纹演化特性

2.1.4细观孔洞演化特性

2.2焊接区域损伤演化的分形特征

2.2.1分形的概念

2.2.2焊接损伤区域裂纹扩展的分形特征

2.2.3细观孔洞演化过程中的分形维数

2.3多尺度同步观测与分析获得的钢结构疲劳损伤跨尺度演化特征

2.3.1观测方法

2.3.2疲劳裂纹萌生机制分析

2.3.3疲劳裂纹扩展规律

2.3.4疲劳裂纹萌生过程中的损伤多尺度特征分析

2.3.5宏细观损伤与结构响应的关联性分析

2.3.6易损部位损伤导致的结构响应非线性效应

2.4混凝土类脆性材料细宏观损伤特征及其演化特性

2.4.1混凝土在材料层次上的微细宏观损伤特征及演化特性

2.4.2构件和结构层次上的混凝土损伤特征及演化特性

第三章不同尺度上材料与结构损伤的合理表征及其量化方法

3.1焊接损伤区的分形损伤跨尺度表征

3.1.1含细观裂纹的焊接区域中分形损伤跨尺度表征

3.1.2含细观孔洞的焊接区域中分形损伤跨尺度表征

3.2金属疲劳损伤多尺度表征及其跨尺度演化规律

3.2.1微裂纹成核与扩展行为

3.2.2疲劳损伤变量的定义

3.2.3描述疲劳微裂纹成核与扩展行为的多尺度损伤演化方程

3.2.4模型参数反演与模型验证

3.3脆性材料中分布式微裂纹的损伤表征方法

3.3.1含大量分布裂纹的无限大脆性固体的细观力学模型

3.3.2微裂纹对混凝土材料宏观性能的影响

3.4由微裂纹跨尺度扩展主导的混凝土损伤演化过程数值模型

3.4.1模拟准则与建模流程

3.4.2裂纹扩展准则

3.4.3裂纹扩展过程中的各种扩展形态的模拟

3.4.4数值模拟案例

3.5构件与结构中的耗能型损伤的表征与量化方法

3.5.1构件与结构耗能型损伤表征的思路及原理

3.5.2构件与结构耗能型损伤量化方法

3.5.3常用的工程结构损伤指标

3.5.4典型钢筋混凝土框架结构的损伤量化分析

3.6钢架结构局部与整体损伤的表征与量化方法

3.6.1易损局部的特征及其定义

3.6.2结构损伤演化过程分析中的各层次代表性体元及其尺度特征

3.6.3构件层次上的损伤表征与量化方法

3.6.4结构层次上的损伤表征与量化方法

3.6.5各类典型钢架结构的损伤量化方法

3.6.6节点处的损伤对结构损伤的影响

3.6.7框架结构中构件层次损伤与结构层次损伤之间的关联性

3.6.8结构损伤模拟与量化分析案例：门式钢框架结构

第四章结构损伤多尺度分析的基本方程与计算方法

4.1结构损伤多尺度分析的基本方程

4.1.1串行嵌套多尺度方法的基本方程

4.1.2一致多尺度方法的基本方程

4.2串行嵌套式多尺度计算方法

4.2.1物理平均化方法

4.2.2数学渐进均匀化方法

4.2.3两种方法的联系与区别

4.3一致多尺度计算方法及跨尺度界面单元衔接

4.3.1跨尺度界面位移协调方法

4.3.2跨尺度界面应力连续方法

4.3.3约束方程由局部坐标系到整体坐标系的转换

4.4考虑局部损伤演化的结构抗震性能多尺度分析方法

4.4.1地震荷载下钢材损伤演化率与损伤本构关系

4.4.2钢结构地震损伤多尺度分析方法及其实施流程

4.4.3细观损伤演化对连接构件抗震性能的影响

4.4.4由损伤演化导致的钢桁架结构失效进程的分析

第五章结构损伤多尺度分析的实施流程及其验证

5.1基于ABAQUS软件二次开发的结构损伤分析算法

5.1.1UMAT及其调用方法

5.1.2UMAT子程序的实施流程

5.1.3弹塑性状态和损伤状态的决定

5.1.4耦合材料损伤的应力更新算法

5.1.5一致切线模量的定义和求解

5.1.6实施过程中的主要问题和注意事项

5.1.7ABAQUS内核语言Python及基本功能

5.2嵌套多尺度方法的算法流程及其有效性验证

5.2.1基于均匀化方法的嵌套多尺度分析的算法流程

5.2.2嵌套多尺度方法的算法与程序验证

5.3一致多尺度方法的算法流程及其验证

5.3.1结构损伤一致多尺度计算的流程

5.3.2一致多尺度方法的有效性验证

第六章损伤跨尺度演化致混凝土构件局部失效的模拟与分析

6.1混凝土梁损伤演化致失效的多尺度分析方法

6.1.1混凝土梁损伤跨尺度演化分析模型

6.1.2四点弯曲梁损伤算例分析

6.2损伤跨尺度演化导致的混凝土梁强度的尺寸效应

6.2.1三点弯曲梁损伤多尺度模型

6.2.2计算结果与分析

6.2.3混凝土梁尺寸效应的发生机理分析

6.3钢筋混凝土粘结界面损伤多尺度模拟

6.3.1钢筋混凝土拉拔构件细观损伤分析模型

6.3.2钢筋混凝土粘结界面损伤多尺度模拟

6.3.3钢筋混凝土粘结界面损伤多尺度分析

6.4钢筋混凝土构件损伤演化致失效过程的自适应模拟与计算方法

6.4.1基于材料细观构造图像的混凝土细观模型建立方法

6.4.2混凝土材料细观损伤演化过程模拟的基本方程

6.4.3混凝土构件损伤跨尺度演化过程的自适应模拟与分析的策略

6.4.4混凝土损伤演化跨尺度自适应分析的有限元基本方程

6.5混凝土构件损伤演化致失效的自适应模拟与分析案例

6.5.1钢筋混凝土拉拔损伤演化过程的细观数值模拟

6.5.2混凝土柱在模拟地震荷载下的损伤演化致失效分析

第七章混凝土损伤演化致结构失效过程的多尺度跨层次自适应模拟与分析

7.1混凝土结构损伤演化过程的多尺度跨层次自适应模拟策略

7.2损伤演化多尺度跨层次分析的区域自适应有限元理论

7.2.1损伤多尺度跨层次演化过程自适应分析的区域变分原理

7.2.2损伤多尺度跨层次演化过程自适应分析的有限元方程组

7.3混凝土框架结构损伤演化致失效的多尺度跨层次自适应分析

第八章大跨桥梁钢箱梁结构疲劳损伤演化过程的多尺度跨层次模拟

8.1高、低周疲劳交互作用下的疲劳损伤多尺度模拟与分析方法

8.1.1高、低周疲劳交互作用下的疲劳损伤演化方程

8.1.2多尺度疲劳损伤模型的参数反演与模型验证

8.2考虑钢材内部微观缺陷的高低周疲劳损伤多尺度模拟与分析方法

8.2.1考虑钢材微观构造的疲劳损伤多尺度模拟与分析方法

8.2.2基于钢材微观构造图像的高低周疲劳损伤多尺度模拟与分析方法

8.2.3疲劳短、长裂纹共同扩展导致的疲劳损伤演化过程分析案例

8.3大跨桥梁钢箱梁结构疲劳损伤累积过程分析方法

8.4昂船洲大桥钢箱梁结构疲劳损伤多尺度跨层次演化过程模拟

参考文献 2100433B