脉冲载荷作用下非均质准脆性材料多尺度损伤破裂过程研究

全面了解非均质准脆性材料的损伤破裂机理是隧道掘进、石油钻井、矿石开采与加工等工程领域亟待解决的关键科学与技术问题。本项目针对准脆性材料拉压损伤机理不同、宏微观损伤破碎过程非常复杂的特点，对其在脉冲载荷作用下的多尺度几何与物理特征及其数学描述方法开展理论与实验研究。通过分析脉冲载荷作用下裂纹附近受力变形特征及损伤破裂过程中宏微观裂纹几何特征的变化规律，研究宏微观裂纹几何特征的损伤力学描述方法，提出统一的多尺度损伤力学变量；考虑非均质、各向异性及预应力等因素影响，研究裂纹形成、扩展的能量耗散特征，提出含损伤变量的自由能函数的具体形式，建立以损伤变量为参数的非线性弹性本构模型及相应的损伤变量演化方程；在连续介质力学框架下建立封闭的控制方程系统，研究损伤导致的应变软化、应变局部化、屈曲与后屈曲问题及相应的解析和数值分析方法。为石油钻井与隧道掘进领域相关技术开发提供理论基础。

岩石类准脆性材料的损伤破裂机理是隧道掘进、石油钻井、矿石开采与加工等工程领域亟待解决的关键科学技术问题。考虑到岩石材料拉压强度差别很大的特点， 本项目首先对花岗岩、砂岩、大理岩等岩石材料在简单拉、压载荷作用下的宏微观损伤破碎过程进行了实验研究。采用数值图像相关技术得到了试件表面位移的全场信息。通过实验研究发现试件表观应变及其分布变化规律与损伤破碎过程具有高度相关性。基于实验结果提出了描述试件宏观损伤的宏观损伤因子与局部化因子，并分析了这些因子随等效应变场变化的规律。提出了用以确定应变局部化区域的加权应变梯度计算方法，发现损伤区域与高应变梯度区域重合度很高。然后提出了一种考虑应变梯度影响的并在应变空间中描述的材料损伤模型，这一模型可以方便的用于破岩过程的数值模拟。对包含应变梯度效应的一维和二维弹性损伤问题进行了理论研究，目前已有初步成果但尚未公开发表。采用新的损伤失效准则，对全断面硬岩隧道掘进机刀盘掘进过程进行了动态仿真，所得结果与实验相符，为硬岩刀盘设计提供了支撑。