混凝土多尺度力学模型的建立及高应变速率下损伤破坏机理

The macroscopic properties of concrete material are influenced significantly by the initial defects (microscopic cracks, pores). It is very important for protective engineering to develop the multiscale analysis approaches (such as macroscopic, mesoscopic and microscopic investigations) under high strain rate loadings. This project is to present a 3D microscopic analysis model and the algorithms with high efficiency based on the mesoscale mechanics. Accounting for the mesoscopic and microscopic components of concrete, we will propose a multiscale analysis approach to reveal the relationship between the macroscopic property and the microscopic damage and failure process. Tests (such as SEM, MTS) will be employed to validate the numerical model and to investigate the process of damage and failure. The model and analysis approach presented will be helpful for the multiscale investigation of concrete materials under intense dynamic loading.

混凝土材料内部存在大量的初始微观缺陷（微观裂纹、孔隙、夹杂等），其宏观力学性能与微观损伤破坏息息相关。建立高应变速率下混凝土材料宏细微观多尺度分析方法，对防护工程研究意义重大。本项目拟采用细观力学分析方法，针对混凝土材料细观和微观层次结构特点，建立三维微观分析模型和高效的数值计算方法；通过对内部存在初始微观缺陷的混凝土材料损伤破坏机理分析，建立混凝土宏观力学性能与细观和微观力学性能之间的关系，提出高应变速率下混凝土材料多尺度分析方法。通过采用电镜观察、材料力学性能试验等手段，研究内部缺陷及损伤发展过程和模式，验证数值模型和计算结果的合理性和可靠性。本课题建立的三维微观模型和分析方法，对揭示混凝土宏细微观尺度力学性能之间的关系具有一定的意义。

本项目针对强动载下工程材料的动态力学性能，开展了四个方面的研究工作，一是提出了混凝土微观孔隙三维模型建模方法，研究了静动态条件下，混凝土的宏观力学性能与微细观动态响应的关系，建立了强动载条件下混凝土类材料宏细观力学性能与损伤破坏机理之间的联系。二是提出了干沙颗粒系统三维细观模型，研究了爆炸条件下，干沙颗粒系统的宏观力学性能与细观损伤破坏机理之间的关系，建立了相应的宏细观分析方法。研究了应力波在干沙中的传播特点及衰减规律。三是提出了三维颗粒凹凸性随机生长算法，建立了相应的形状特征量化算法，研究了落石颗粒冲击混凝土板的动态力学响应。为落石颗粒冲击相应问题的研究及防护措施，提供了借鉴。四是提出了多胞类材料三维细观模型，研究了冲击荷载下多胞类材料宏观力学性能与细观损伤破坏机理之间的关系。项目研究成果为工程材料在高应变率条件下力学性能的研究，提供了新的方法和手段，成果对于提高重要工程的安全防护，具有重要的军事意义。研究成果发表学术论文14篇，其中SCI收录10篇，获批软件著作权3项、受理发明专利1项。