基于域信息传递及撤出机制的混凝土损伤跨尺度演化分析方法的研究

The study shows that the damage of concrete material and structure has obvious multi-scale characteristics. Aiming at the scale characteristics of different stages of concrete failure process, the adaptive multi-scale model of domain information transmission suitable for damage trans-scale evolution is to be established based on theoretical analysis, experimental research and numerical simulation. According to information transmission multi-scale method, with consideration of advantages of concurrent multi-scale model, the multi-scale model upscale the whole information of mesoscale domain will be established. The criterion of mesoscale domains’ introduction and withdrawal will be studied combining with development of equivalent embedding technology of failure mesoscale domain, multi-scale method that meets the requirement of fine scale analysis in damage area and meets the continuous control requirement of computation cost will be proposed. Experimental research on dynamic crack propagation and effect of local unloading of cracks will be carried out to provide experimental basis for the mechanism of mesoscale domains’ withdrawal. The non-standard information transfer computational programs will be developed to establish a data exchange channel between the macro solution program and various possible mesoscopic analysis models. According to the domain information transfer multi-scale model, the influence of interfacial transition zone, matrix and physical and mechanical properties of aggregate on failure process of concrete material is to be analyzed, and the safety of concrete structure is to be evaluated.

研究表明混凝土材料及结构的破坏具有明显的多尺度特征。针对混凝土破坏全过程不同阶段的尺度特征，以建立适用于损伤跨尺度演化的域信息传递自适应多尺度模型为目标，系统开展理论分析、实验研究和数值模拟。从信息传递的多尺度分析方法出发，在考虑一致多尺度模型优点的基础上，建立细观域信息整体上传的域信息传递多尺度模型，研究细观域的启用与撤出准则，开发失效细观域等效嵌入技术，建立符合损伤区域精细尺度分析需求与满足计算规模持续控制要求的自适应多尺度分析方法。开展混凝土动态裂纹扩展与局部卸载效应的实验研究，为细观域撤出机制提供实验依据。开发非标准信息传递多尺度分析程序，建立宏观求解程序与各种可能的细观分析模型之间的数据交换通道。依据域信息传递多尺度模型，为高效、精细分析界面过渡区、基质以及骨料物理力学特性提供重要的理论基础及关键数值模拟技术，为混凝土结构的安全性评估提供可靠的保证。

准脆性材料复杂的微观特征以及力学特性使这些材料及结构的损伤破坏分析的研究具有很强的挑战性，是损伤破坏领域的研究重点之一。本项目研究工作针对混凝土破坏全过程不同阶段的尺度特征，以建立适用于损伤跨尺度演化的域信息传递自适应多尺度模型为目标，系统开展了理论分析、实验研究和数值模拟研究工作。.项目组基于准脆性材料的微观结构、力学性能以及破坏特征建立了用于损伤破坏分析的域信息传递模型，以域到域的信息传递方式进行多层级分析，实现了基于代表性体积单元（RVE）退出机制的准脆性材料的损伤演化过程模拟，对于多层级模型计算规模随损伤区域变化持续增加的现象给出了有效的解决方案。.建立了用于求解全局单元状态的补充方程，实现了富集自由度在粒子边界上的动态引入及退出，显著降低了全局模型的计算规模。采用域信息传递的计算方式，通过材料粒子以及RVE之间的信息传递，实现了考虑损伤跨尺度演化的高精度的准脆性材料破坏现象多层级模拟。.项目组研究了材料粒子对应的RVE的激活以及退出机制，确立了基于机器学习和损伤演化率的贯穿RVE退出准则以及基于变形的充分卸载RVE退出准则，实现了计算过程中RVE的动态激活和退出，极大地提高了域信息传递多层级模型的计算效率。 .项目组还开展了混凝土动态裂纹扩展与局部卸载效应的实验研究，为细观域撤出机制提供实验依据。依据域信息传递多尺度模型，为高效、精细分析界面过渡区、基质以及骨料物理力学特性提供的重要的理论基础及关键数值模拟技术，将为混凝土结构的安全性评估提供可靠的保证。