预应力混凝土结构多尺度多因素耦合的耐久性研究

耐久性是混凝土材料的重要性能之一，它涉及混凝土结构或构筑物的服役寿命和使用安全。但耐久性问题涉及面广、实际服役环境复杂、多因素耦合试验缺乏、现有理论不够完善，故本项目针对四个方面开展了多尺度、多因素耐久性问题的理论分析、试验研究及精细化数值模拟。 在混凝土及预应力混凝土结构冻融机理及耐久性评估中，材料试验发现：随着细观冻融损伤的增长，混凝土的宏观抗压强度呈三段式下降；在预应力构件试验中，建议寒冷地区轴心预应力构件的冻融预应力损失的取值不小于5%；在有限元模拟分析研究中，开发了一套混凝土细、宏观冻融损伤的模拟程序，给出了冻融寿命预测的建议方法 。 在对混凝土碳化过程的精细化数值模拟研究中，从化学反应动力学的角度出发，建立了偏微分方程组，并基于骨料级配理论和孔隙概率密度函数，用ABAQUS模拟了二氧化碳在混凝土中的扩散。 在对普通混凝土结构受氯盐侵蚀的耐久性试验研究中，开展模拟浸没区、浪溅区以及大气区 的复合氯盐侵蚀试验，研究不同工况、不同氯盐侵蚀对混凝土耐久性的影响。 在对氯盐侵蚀自密实混凝土过程的精细化数值模拟与试验研究中，首先，分别进行了氯盐溶液浸泡、氯盐盐雾侵蚀和RCM法测氯离子扩散系数试验。然后对不同龄期的自密实混凝土的氯离子扩散系数进行预测。最后，建立偏微分方程组，并通过ABAQUS二次开发和MATLAB计算，实现了氯盐侵蚀自密实混凝土的多尺度精细化数值化模型。 2100433B

在碳化和氯离子等因素耦合作用下，预应力砼结构功能会逐渐衰退，最终耐久性失效。传统研究方法通常将微观尺度的材料耐久性和宏观尺度的结构耐久性独立进行研究，未开发出连接微观到宏观尺度的一体化预应力砼结构耐久性预测模型；且传统多因素耦合研究多是根据Fick定律，通过回归试验数据而建立的，既忽略CO2和氯盐在砼孔隙水溶液中的溶解过程，也忽略了试验箱中侵蚀物质高浓度带来的体系非理想性，因而不易准确考察砼碳化和氯离子侵蚀耦合作用机理及实现耐久性的准确预测。本项目研究拟建造两座桥梁：第一座桥梁是化工热力学模型，通过它可以将微观尺度多侵蚀因素作用关联起来；第二座桥梁是拟建立的微观尺度耐久性指标（例如热力学模型预测的碳化深度、碳化程度、氯离子浓度等）与宏观结构材料的强度、应变之间的关系，通过它可以实现微观尺度研究结果直接用于宏观结构分析。从而，最终实现构建多尺度多因素耦合的预应力砼结构耐久性预测模型。

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。

本项目对流动、传热与传质过程中的空间多尺度现象，以能源与环境领域中的几个典型多尺度工程问题为具体研究对象，发展高效的多尺度数值求解方式，深入研究不同尺度上尤其是介观和微观层次上的流动、传热与传质现象，揭示不同尺度上流动、传热与传质过程之间的耦合机制。在数值模拟方面：构建MD、DSMC与其它数值方法耦合的重构算子，发展分区计算、界面耦合多尺度数值求解方法；完善分层计算、逐级传递多尺度求解方法；发展湍流流动中壁面粘性影响区和外层之间高效，准确的信息交换方法。在实验方面：基于质子交换膜燃料电池、太阳能空气吸热器及城市小区空气品质及污染物散发实验，发展相应的多尺度问题的实验方法，获得一批可靠的实验数据，为考核与完善所建立的多尺度数值方法提供实验依据。通过本项目的执行不仅可以大力提高我国在能源与环境工程领域中多尺度问题数值模拟研究的国际地位，而且对相关的工程问题也有一定的指导与参考意义。

随着汽车工业在国内外的快速发展，越来越多的消费者对汽车的耐久性和耐蚀性要求不断提高。镀锌板因为其非常良好的成形性能、焊接性能、涂装性能和耐蚀性能而广泛应用到车身制造上。 板料成形过程中必然伴随着工件和模具间的剧烈摩擦，摩擦非材料的固有特性，与表面形貌、接触方式、润滑方式、冲压工艺条件等多种复杂因素有关，是一个典型的多因素、跨尺度、非线性复杂问题。无论是实验研究还是理论分析，研究难度大，研究结果的一致性差甚至有完全相反的结论。 镀锌板可以分为镀层、界面和基体三个部分，组织结构比普通钢板复杂，其摩擦特性和成形性不同于一般钢板。针对汽车用高强镀锌板拉延摩擦的复杂多变性，基于微观摩擦学、润滑力学、塑性力学和材料学，考虑高强镀锌板的微观结构、摩擦热效应、变形不均匀性、表界面特性以及板材与模具的耦合作用，采用平板滑动实验、杯突实验、摩擦磨损实验，应用SEM、XRD、三维形貌仪等现代分析测试手段，研究高强镀锌板的摩擦学特性、拉延成形性及其内在联系，分析了锌层与摩擦的相互作用机制，探明了锌层及界面失效机制及摩擦力形成的微观机制。镀锌板冲压成形时，锌层中会出现裂纹、断裂、粉化与剥落等失效现象，塑性变形的诱发作用和接触摩擦的双重影响导致镀锌板表面形貌在冲压成形过程中随着时空变化。采用统计的方法表征了冲杯实验过程不同变形区的形貌模型，基于分形理论，建立了考虑板料的力学性能、表面形貌和接触压力这三种因素的接触模型和摩擦模型。在此基础上，建立了高强镀锌板拉延成形极限图，提出了摩擦副的耦合协同控制方法。采用SEM、EBSD、TEM、单向拉伸试验机等设备和仪器，探讨了合金元素和轧制技术参数对汽车用低碳钢板的微观组织和力学性能的影响，揭示了合金元素的作用机理和最优的轧制技术参数范围。 研究结果为高强镀锌板拉延成形工艺模具设计及精确仿真奠定基础，同时为拉延件表面质量和模具寿命的主动控制提供技术支撑，实现高强镀锌板精密可控成形。