三维编织压电复合材料的细观力学设计及拓扑优化设计

三维纺织压电复合材料力学性能的细观模拟及微结构拓扑优化设计是当前颇具有挑战性的研究课题。本项目拟在实验分析基础上对三维编织压电复合材料的力学行为进行细观尺茺的理论和数值研究，并以刚度、强度等宏观性能为目标函数，以相关微结构参数为设计变量，对材料进行微结构拓扑优化设计的研究。 2100433B

针对三维编织复合材料细观结构复杂、影响参数多的特点，提出了计及纤维纱线弯曲的单胞力学分析新模型：发展了基于均匀化理论的多变量有限元方法，编写了相应的计算机程序；对三维编织复合材料面内刚度和强度性能以及编织工艺进行了实验研究；将三维均匀化理论与有限元结合运用到编织复合材料力学性能参数分析中，给出了其力学性能与编织参数关系图，对单胞细观应力进行了数值模拟，定量地给出了单胞全场的应力场；对1998年才出现的新型材料-三维编织压电复合材料的电弹模量进行了预测，给出了这些常数与编织参数之间的关系图，并对单胞的细观应力进行了数值分析，得到了一些有意义的结果。 2100433B

本课题以土石混合体为研究对象，拟自行研发三维细观结构重建系统，并用于土石混合体试样的三维重建、三维细观结构定量分析及数值试验；通过野外大尺度粒度分析、量测及数字图像定量分析等方法，提出土石混合体的细观结构在宏观统计层次上的规律性；完善已研发的土石混合体三维随机细观结构生成系统，用于土石混合体试样的随机生成及数值试验；运用室内大型三轴试验、基于三维重建模型及随机模型的细观力学数值试验方法，研究土石混合体的变形破坏机制、细观及宏观力学行为特征。本项目的创新点包括：揭示土石混合体细观结构的规律性；研发土石混合体三维细观结构生成系统；揭示土石混合体的细观力学特征。本项目的研究成果对于揭示土石混合体的在外荷载作用下的细观应力场特征、损伤及变形破坏机制、细观结构与宏观力学特征之间的关系，并为建立土石混合体的结构化本构模型具有理论意义；其研究成果对于其它非均质材料的研究也具有借鉴意义和应用价值。

课题以土石混合体为研究对象，从结构性特征入手，运用力学试验、数值试验等技术手段，开展其细观力学及变形破裂机理研究，并取得了以下重要的研究成果： 1）提出了土石混合体结构性定量评价指标体系，揭示了其内部块石形态特征呈现明显的规律性及细观结构自组织性特征，填补了该项研究的空白。 2）开展了土石混合体的多结构及多尺度力学试验研究，成果表明土石混合体的细观结构对其力学性质有明显影响。由于块石的咬合及骨架作用，试样抗剪强度随含石量增大而增大；含石量相等时，含有较多大粒径块石的试样具有较高的偏应力和较小的体缩量。同时也表现出明显的尺寸效应，由于膜边界约束及同等尺寸块石在小尺度试样的控制性作用，土石混合体轴向偏应力随试样尺寸增大而减小。 3）丰富和发展了土石混合体三维细观结构精细化建模方法，自主研发了一系列土石混合体三维细观结构精细化建模系统，使得对土石混合体细观力学研究由二维发展到三维、由随机模拟发展到真实结构模型生成，为细观力学计算分析奠定了坚实的模型基础，到达国际领先水平。 4）提出了基于球颗粒的三维非连续变形分析方法，推导了相应的理论公式，研发了相应的计算程序3D-DDAS，将其应用于颗粒集合体细观力学及破坏机理研究，取得了较好的效果。 5）发展了土石混合体细观力学及颗粒力学研究，深入揭示土石混合体的变形破裂机理、宏-细力学性质。建立了系统的颗粒离散元细观定量分析方法，并开发了软件分析系统；提出了基于BP神经网络的颗粒离散元细观力学参数反演分析方法；基于原位及室内试验成果，用颗粒离散元方法系统开展了土石混合体细观力学数值试验研究，深入揭示了土石混合体试样的宏观力学行为与变形局部化有密切的联系，及变形破裂细观演化机理。 6）针对我国地震灾区发生的重大滑坡灾害、堵江形成堰塞体的机理及结构特性开展系统研究工作，提出了其失稳堵江的四阶段模式。提出了DDA强度折减法的基本思想，实现了滑坡稳定系数的自动计算分析，将其应用于一大型土石混合体滑坡的二维稳定性特征及破坏模式研究，为指导防灾减灾提供了依据。 项目研究成果不但深化和发展了土石混合体细观力学特性，而且其研究成果也适用于混凝土及其它非均质材料的研究。 2100433B