湿-热-力耦合下ECC准应变-硬化机理的变分渐近多尺度表征

Since the Engineered Cementitious Composite (ECC) has the advantages of quasi strain-hardening, ultra high ductility and multiple cracking, it becomes more and more popular in the practical engineering in recent years. Meanwhile, it has good application prospect in special structures or components such as offshore platform, military engineering and beam-column joint, etc. However, the development of the theory lags behind the engineering practice and the pseudo strain-hardening mechanism under the combined effects of environmental and mechanical factors is not fully understood yet. By means of theoretical analysis, numerical simulation and experimental investigations, we firstly establish the hygro-thermo-elastoplastic variational principle and energy functional of ECC. The “bottom-up” variational asymptotic homogenization and “top-down” localization will be incorporated into the macro-micro unified constitutive relation, the multiscale model and the corresponding algorithm are established. Secondly, the single fiber pullout and uniaxial tensile test will be carried out to verify the rationality and validity of the presented model. Finally, the double variational asymptotic two-scale method considering the interfacial phase and multiscale asymptotic damage model are also estimated by extending the multiscale model, and the asymptotic variation of crack-propagation –failure is obtained. The expected results will reveal the influence mechanism of microstructure on the pseudo strain-harden behavior and enrich and innovate the multiscale theory. Meanwhile, it can provide new ideas for developing ECC with better performance.

水泥基工程复合材料(ECC)具有准应变-硬化、超高延性和多缝开裂等优点，近年来得到工程界的青睐，在海洋平台、军事工程、梁柱节点等特殊结构或构件中有很好的应用前景，但理论的发展滞后于工程实践，湿热等环境与力学因素共同作用下的准应变-硬化机理尚未完全明确。本项目拟通过理论分析、数值模拟和试验研究等手段，建立ECC 湿热弹塑性变分原理和能量泛函；将“Bottom-up”变分渐近均匀化和“Top-down”局部化融入宏-细观统一本构关系中，构建多尺度模型和相应求解算法；其次，通过单纤维拔出和单轴拉伸试验与理论计算结果的对比，验证模型的合理性和有效性；最后，扩展多尺度模型，建立考虑界面相的二重变分渐近方法和多尺度渐近损伤模型，获得ECC开裂-扩展-破坏的渐近变化规律。预期成果将揭示微观结构对ECC准应变硬化行为的影响机理，丰富并创新材料多尺度理论，同时也为研发具有更好使役性能的ECC提供新的思路。

水泥基工程复合材料(ECC)具有准应变-硬化、超高延性和多缝开裂等优点，但理论的发展滞后于工程实践，湿热等环境与力学因素共同作用下的准应变-硬化机理尚未完全明确。项目为实现多重裂纹的独特行为、应变-硬强化行为和紧密裂纹宽度,建立了HFVA-ECC准应变-硬化的能量准则(决定裂纹扩展模式)和强度准则(控制裂纹发生),以及ECC弹塑性-损伤本构模型,进一步得到表观连续体切线算子的封闭形式表达式。在细观力学理论指导下,代替传统的试错材料设计方法,对HFVA-ECC进行了设计。基于细观力学的HFVA-ECC设计理论将HFVA-ECC在宏观尺度(即拉伸强度、拉伸延性、裂纹宽度等)下的力学性能与中观尺度(即纤维桥接)的性能、以及微观尺度上的性能(即纤维刚度、纤维强度、纤维/基体界面结合、基体韧性、缺陷尺寸等)联系起来。针对其纤维、界面过渡区-基体三位一体的构架关系，将“Bottom-up”变分渐近均匀化和“Top-down”局部化融入宏-细观统一本构关系中，构建多尺度模型和相应求解算法。通过数值算例和实验结构对比表明本模型能够: (1)处理各种力学行为,复杂的载荷条件和复杂的载荷路径;(2)从实验数据促进其相关材料参数的校准,可以方便地在有限元代码中实现或用于应变定位分析,也可以纳入复合材料损伤评估的多尺度建模方法中。项目的研究成果探明了微观力学参数(基体断裂韧性、纤维参数、界面参数)与宏观力学性能(强度、应变、裂缝宽度等)之间的关系。实现从材料组分到结构的载荷、性能、损伤信息的高保真传递，为ECC在土木工程领域应用提供高效的设计、表征、评价和验证支撑平台，为工程设计人员深入了解和掌握ECC性能、合理设计并制备具有更好工程微结构和性能的新型建筑材料，提供可靠的理论、分析模型和通用工程分析软件。到目前为止，发表期刊论文22篇。其中在《COMPOSITE STRUCTURES》、《Thin-walled structures》等SCI期刊上发表论文17篇，EI检索论文3篇，北大中文核心期刊1篇，会议论文5篇；授权专利3个，专著1部，参加国内学术会议4次。同时，培养博士研究生3人、硕士研究生10人。