考虑混凝土微观结构特性的多尺度近场动力学模型与破损分析

The failure process and its mechanism of concrete structure are one of major concerns in the academic and engineering field for a long time. In the study of damage accumulation and progressive failure in concrete structures, nearly all traditional methods based on the classical theory of continuum mechanics attempt to solve the partial differential equations, but these methods are proved unsuitable since the limitations such as remeshing and mapping cannot be removed completely.To potentially solve this problem, a novel and promising non-local peridynamic theory is utilized in the proposed research. The peridynamic theory can avoid singularity in solving discontinuity problems by using integral equations as a description of material motion rather than differential equations. The proposed study is divided into the following major tasks:(1)characterizing the microstructures of concrete with experiments and statistical analysis, and establishing a new integral-type non-local multiscale peridynamic model of concrete correspondingly.(2)improving the theoretical aspects for mesh adaptivity and error estimation under the framework of peridynamics, proposing a mixed analysis model combining peridynamics method with finite element method, and then developing the simulation software of peridynamics with proprietary intellectual property rights.(3)by solving integral-type discrete equations, simulating the whole process of microdefects growth, damage accumulation, crack initiation and propagation, local fracture and failure as a whole in concrete materials and structures. This research will reveal the failure mechanism of concrete materials and structures, and will provide a basis of practical guidelines for the development of high performance concrete and safety evaluation of concrete structures.

混凝土结构的破坏过程与破坏机制是学术界和工程界极为关注的热点问题，基于连续介质力学理论框架下的传统数值方法在模拟混凝土结构的损伤累积和渐进破坏时面临网格重构等诸多困难，且难以从根本上予以消除。本项目引入新兴的基于非局部积分思想的近场动力学（Peridynamics）理论和方法，彻底避开传统方法中采用局部微分方程求解不连续问题时的奇异性，采用理论推导、试验和数值方法相结合的手段，建立能考虑混凝土材料细微观结构特征的多尺度近场动力学模型；发展相应的自适应算法和误差估计方法，构建近场动力学方法与有限元法相结合的混合分析模型，开发具有自主知识产权的近场动力学计算软件；通过空间积分型支配方程的离散和求解，再现混凝土材料和结构中微缺陷的发展、损伤累积、宏观裂纹萌生、扩展到局部断裂直至整体失稳的渐进破坏全过程，揭示混凝土材料和结构的破坏机制。为高性能混凝土的研发和混凝土结构的安全性评估提供科学依据。

混凝土结构的破坏过程与破坏机制是学术界和工程界极为关注的热点问题，基于连续介质力学理论框架下的传统数值方法在模拟混凝土结构的损伤累积和渐进破坏时面临网格重构等诸多困难。本项目引入新兴的基于非局部积分思想的近场动力学理论和方法，采用理论推导、试验和数值方法相结合的手段，建立能考虑混凝土材料细微观结构特征的多尺度近场动力学模型；发展适于混凝土破坏模拟的近场动力学数值算法，开发高效通用的计算软件；实现混凝土材料和结构损伤累积和渐进破坏全过程的连续仿真，揭示混凝土材料和结构的渐进破坏的力学机制。. 围绕本项目的研究目标和研究内容，课题组四年来潜心研究，取得了以下成果：（1）利用纳米压痕技术，进行了水泥净浆、水泥砂浆和界面区微观结构力学性能的试验研究，获得了水泥基材料不同组分的纳米尺度力学性能，揭示了水泥砂浆界面处的微观力学性能变化趋势。（2）开展了混凝土试件宏观破坏试验研究，利用SHPB实验技术，进行了不同含量微硅粉混凝土冲击破坏的试验研究，得到了混凝土强度与微硅灰含量和冲击速度的关系。（3）改进了“键型”近场动力学模型，构建了“键型”近场动力学微极模型，开展了“键型”近场动力学弹性波色散特性分析，建立了基于近场动力学的SHPB的数值模拟方法。（4）建立了二维、三维统一形式的基于常规状态的近场动力学弹塑性模型，提出了与传统弹性模型和混凝土HJC模型对应的非常规状态近场动力学模型和一种新的基于非常规状态近场动力学模型。（5）提出了近场动力学与有限元相结合的混合分析模型，建立了基于Voronoi结构图均匀/非均匀离散的近场动力学方法与自适应近场动力学方法，构建了近场动力学的显式动力与隐式求解体系。（6）发展了数值稳定性控制方法，在大型商用软件Abaqus的平台上开发了近场动力学插件，研制了具有自主知识产权的近场动力学计算软件。（7）基于近场动力学方法的数值模拟，再现了混凝土材料和结构中微缺陷的发展、损伤累积、宏观裂纹萌生、扩展到局部断裂直至整体失稳的渐进破坏全过程。. 研究成果丰富和发展了近场动力学的内容，具有重要的科学意义和应用前景。