含液多孔介质力学分析的多层级建模与计算方法研究

Fluid-saturated porous media exist widely in engineering practice. These materials are highly heterogeneous and their physico-mechanical properties may change dramatically with positions, their mechanical behaviors at different levels and scales and their relationships thus should be considered simultaneously in the mechanical analysis. Moreover, due to the coupling interactions between solid and fluid phases, many challenging problems may be encountered in their multilevel mechanical analysis as compared to single phase media, such as, the construction of the consistent multilevel analysis method, the concurrent downscaling computational method and the multilevel computational method considering the effect of dynamics and nonlinearity of solid skeleton for the fluid-solid coupling problem, etc. To address these problems, the fundamental theories and computational methods towards the quasi-static, dynamic and nonlinear multilevel analysis for fluid-saturated porous media will be studied in this project. The main purpose of the project is to develop key theories and methods for the contruction of the related theoretical models and numerical algorithms. The project also aims at the research and development of effective numerical simulation softwares for the multilevel analysis of fluid-saturated porous media. The outcomes of the project will advance the thorough study of theories and methods for related problems.

含液多孔介质在工程中大量存在，其物理力学性质的空间变异性强，在力学分析中往往需要同时考虑不同层次和尺度行为以及之间的关系；同时，由于含液多孔介质内部固体和液体等的耦合作用，与单相介质分析相比，在其多层级分析中存在着诸多具有挑战性的问题，如流固耦合问题多层级分析的高效一致性分析方法、耦合问题分析的并发降尺度计算方法、考虑时间效应以及骨架非线性行为的高效与高精度多层级计算方法等的构建。围绕这些问题，本项目重点开展含液多孔介质拟静力多层级分析、动力学多层级分析以及考虑骨架非线性的含液多孔介质多层级分析等的基本理论与方法研究，建立并发展适用于骨架可变形含液多孔介质力学分析多层级计算的基本理论、模型和算法框架，并以此为基础，开发适用于含液多孔介质多层级分析的数值模拟软件，为相关问题基本理论与方法的深入研究打下基础。

含液多孔介质在工程中大量存在，如岩石、土壤、建筑材料（混凝土、砖瓦）、陶瓷、生物组织（骨头、根、茎、枝叶）、颗粒状材料的堆积体等。含液多孔介质物理力学性质的空间变异性强，在力学分析中往往需要同时考虑不同层次和尺度行为以及之间的关系；同时，由于含液多孔介质内部固体和液体等的耦合作用，与单相介质分析相比，在其多层级数值分析中存在着诸多具有挑战性的问题，如流固耦合问题多层级分析的高效一致性分析方法、耦合问题分析的并发降尺度计算方法、考虑时间效应以及骨架非线性行为的高效与高精度多层级计算方法等的构建。围绕这些问题，本项目研究了含液多孔介质固相本构模型与液相物理参数的多层级分析方法、耦合条件下骨架线性含液多孔介质拟静力耦合问题多层级分析方法、耦合条件下骨架线性含液多孔介质动力耦合问题多层级分析方法、含液多孔介质耦合问题拟静力和动力多层级分析的降尺度计算方法以及耦合条件下骨架非线性含液多孔介质多层级计算方法。建立并发展了适用于骨架可变形含液多孔介质力学分析多层级计算的基本理论、模型和算法框架，开发了适用于含液多孔介质多层级分析的数值模拟软件。研究工作为以含液多孔介质为基础的结构安全性评估、能源开发及新材料设计等提供了重要的理论依据和技术手段。项目共发表学术期刊论文116篇，其中被SCI收录107篇，EI收录4篇（不含SCI重复收录数），SCI他引250余篇次；申请获批计算机软件著作权1项；培养毕业博士7人、硕士3人。项目成员组织小型国际学术研讨会8次，国际学术互访5人次，参加国际学术会议30余人次，在国际学术会议上做邀请/Keynote报告9人次。