芳纶纤维复合材料弯曲界面损伤机理的多尺度分析

本项目经过三年的研究，取得了下述的研究成果：（1）引入未计及微尺度效应的薄膜弹塑性撕裂模型和三种双参数扩展准则，描述AFRP/混凝土端部界面剥离破坏形态。采用ABAQUS软件，结合ABAQUS损伤断裂原理，定义内聚力模型的损伤和开裂行为来模拟粘结界面性能。建立了描述AFRP端部界面剥离破坏二维平面弹塑性模型，采用四点弯曲加载，考虑在不同AFRP加固量的情况下，研究端部界面剥离破坏规律。将二维剥离破坏模型扩展到三维，充分考虑加固梁的各组成部分，研究了不同AFRP加固量在混凝土梁端部发生剥离破坏时各组分的力学性能。（2）基于AFRP片材-混凝土界面粘结树脂的微观结构形态，引入微观结构特征参数，依据摩擦理论及变形层理论等界面理论提出一个新的AFRP片材-混凝土界面本构模型。（3）根据预应力和非预应力芳纶纤维片材加固钢筋混凝土梁的四点弯曲破坏特性，首先借鉴和采用复合材料力学的基本理论，建立含缺陷或损伤的分层分析模型，求出各子层的应力或位移分布，并结合线弹性断裂力学中的能量法，研究了芳纶纤维片材加固含微裂纹的钢筋混凝土梁的初始开裂问题。然后推广上述剪滞分析模型，建立计及纤维逐步断裂、局部芳纶纤维片材/混凝土界面剥离的应力重新分布计算模型，并采用统计断裂理论，研究预应力和非预应力芳纶纤维片材加固钢筋混凝土梁的破坏机理、开裂荷载和极限承载力，获得了与实验较吻合的计算结果。（4）根据Fick第二定律扩散控制方程，推导了以环境相对湿度为全局变量的湿度控制方程，求解了AFRP片材与混凝土梁的湿扩散率和湿含量关于相对湿度的一般表达式，建立界面层本构关系。（5）采用ABAQUS的质量扩散模块，对AFRP纤维和UHL/EP复合材料及AFRP加固混凝土梁的吸湿行为进行了有限元模拟分析，利用温度-结构耦合模块研究了不同时刻材料内部的吸湿应力及界面损伤。结果表明：界面处的吸湿应力水平明显高于其他的区域，AFRP材料端部由于吸湿容易发生剥离破坏。（6）在经典连续介质力学的框架内，通过加入表面能的影响，研究了纳米材料弹性性能的尺寸依赖性。本项目的研究成果为AFRP加固混凝土结构提供了重要的理论依据，至结题时止，共发表论文11篇，其中在国内外重要刊物上发表论文8篇，在国际会议上发表论文3篇，SCI收录1篇，EI收录9篇，另有待发表论文3-4篇，圆满高质量地完成原定的研究计划。 2100433B

复合材料在土木工程领域的应用是一个全新的技术。由于芳纶纤维复合材料具有许多优异的特性，现已日益广泛地应用于特种结构的加固修复中。在复合材料加固结构中，界面损伤是一种重要的破坏模式，本项目拟根据芳纶复合材料加固混凝土构件的弯曲破坏特性，建立含缺陷或损伤的多尺度分析模型和各种破坏准则或强度模型，研究裂纹扩展规律、界面黏结特性、界面损伤机制，研究预应力、湿热变化对界面损伤的影响，研究芳纶纤维复合材料与混凝土界面的破坏对构件极限承载力的影响；根据加固参数及加固方法的改变，研究界面破坏模式的变化趋势。采用复合材料力学的基本理论，建立计及纤维逐步断裂、局部芳纶纤维复合材料/混凝土界面剥离、纤维/基体界面损伤或层间界面破坏的应力重分布计算模型和统计模型，探索抑制界面剥离破坏的措施。研究成果可为制定有关芳纶复合材料加固补强技术的设计和施工规范等提供重要的理论依据，具有重要的科学意义和工程实用价值。

本书针对复合材料及其结构的热传导问题、热-力耦合和力-电耦合问题给出了多尺度计算方法及其理论分析.本书共分为八章，第一章给出了复合材料的多尺度分析方法；第二章介绍了小周期参数的椭圆形方程的均匀化理论；第三章介绍了两种多尺度算法；第四、五章给出了小周期复合材料热传导问题的二阶双尺度展开式及其收敛性分析；第六至八章分别研究了复合材料板的弯曲、热-力耦合和力-电耦合问题的二阶多尺计算方法.读者需具备微分方程、有限元方法和程序设计方面的初步知识即可学习本书。

本书可供统计学、信息与计算科学、数学与应用数学专业的本科生，应用数学、计算数学、运筹学与控制论和统计学专业的研究生，理工科相关专业的研究生，对微分方程数值解感兴趣的教师及科技工作者阅读。

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。

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