基于微观力学机制的二阶梯度连续理论及非均质各向异性应变软化材料损伤机理

Micromechanical damage mechanism of inhomogeneous strain-softening material with anisotropy is one of the fundamental frontier topics. This project intends to systematically investigate the micromechanical damage process and mechanism of inhomogeneous and anisotropic strain-softening material under complex stress conditions, via the combination method of theoretical modeling, numerical analyses and laboratory tests. The multidimensional tensor form of the second-order gradient-enhanced continuum theoretical model will be developed using micromechanical approach; followed by the establishment of numerical model and computer simulation code by meshfree method and MATLAB programming; the model application will be studied subsequently using the developed program; afterwards, experimental study on strain softening will be performed with MTS experimental system, which followed by the 2D and 3D qualitative and quantitative testing of the fracture surface morphology of samples via SEM and 3D non-contact surface topography instrument respectively; the experimental results will be compared with the simulating results in order to verify the established micromechanical model; finally, the damage mechanism of inhomogeneous and anisotropic strain-softening material will be analyzed. The study of this project will contribute to the accurate prediction of the underlying mechanism of the macro-nonlinear behavior of the damage process of strain-softening material, such that to provide a reliable theoretical basis for engineering structural stability and safety evaluation. The research has important practical significance for the protection of the smooth progress of our engineering constructions in various fields.

非均质各向异性应变软化材料的微观力学损伤机理是岩土工程领域前沿基础性研究课题之一。本项目拟采用理论建模、数值分析及室内试验相结合的方法，系统研究三维空间非均质各向异性的应变软化材料在复杂应力条件下的微观损伤过程和机理。借鉴微观力学方法建立多维空间张量形式的二阶梯度增强连续理论模型；并结合无网格分析方法及MATLAB编程建立完整的数值模型及计算程序；利用所研发的程序进行模型的应用研究；随后利用MTS试验系统开展应变软化试验研究，并借助SEM及三维非接触式表面形貌仪对试样破碎面形貌进行二维、三维定性和定量测试；将试验结果与数值模拟结果进行对比，验证模型的综合性能；对非均质应变软化材料的变形损伤机理进行分析论证。课题的研究有助于准确预测应变软化材料损伤过程的宏观非线性力学行为潜在机理，为工程结构稳定性及安全性评价等提供可靠的理论依据。这对于保障我国各领域工程建设施工的顺利进行具有重要的现实意义。

非均质各向异性应变软化材料的微观力学损伤机理是岩土工程领域前沿基础性研究课题之一。首先利用微观力学方法开展了高阶应力-应变理论本构关系研究，具体包括：建立了反映虚拟键相互作用的力-位移关系；计算了张量形式的高阶理论本构方程及对应的本构系数的封闭解；计算了在各向异性条件下的材料力学性能参数。其次研究了引起材料弹性损伤的最大拉应变破坏准则、压应力及剪切破坏准则。从能量泛函出发，建立了高阶理论的强形式和弱形式的系统平衡方程；采用无网格伽辽金方法，建立了离散化的系统平衡方程；并结合MATLAB软件编写了数值计算程序。在此基础上，选取了三种典型的应变软化材料为研究对象，开展了模型的应用研究。首先对平底圆柱形的单压头静压入花岗岩的破碎过程进行了模拟和分析，结果表明：最大剪应力分布云图以及破碎坑深度均与相关文献研究结果基本吻合，验证了模型的合理性和有效性；花岗岩内部的应力极限值总是集中在压头与岩石接触的边缘位置；中心对称轴上的最大剪应力极值点是岩石破碎的发源处；随着压头的逐渐压入，花岗岩内水平向的拉应力先于剪应力达到极限值，迫使周围的岩石发生崩离，导致张拉断裂。对含纳米晶间玻璃状膜层（IGF）的β-Si3N4陶瓷材料模型在单轴拉伸下的破碎过程和机理进行了模拟分析；并将结果与计算精度极高的ab initio原子模拟结果进行了对比，进一步验证了模型的准确性和有效性。模拟结果表明IGF在氮化硅陶瓷中作为一种缺陷区域，是应变局部化和材料失效的触发点。此外，对含缺陷区的双层材料断裂过程进行了初步研究，为后续的双层材料裂纹演化机理研究做准备。 最后，还开展了岩石的压入破碎过程室内实验研究。选取了包括花岗岩在内的24种岩石样本，测试了各岩样的压入硬度、单轴抗压强度、弹性模量、泊松比等力学性能参数，并通过VK-X100激光共聚焦显微镜对压入硬度测试过程中产生的破碎穴的表面形貌进行了深度、面积、体积等几何参数的定量分析测量。