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基于统一相场损伤理论的混凝土破坏全过程分析应用研究

【摘要】:混凝土结构的破坏通常是由高度局部化的非均匀变形(即应变局部化)引起的,这种局部失效及其发展被认为是结构破坏的前兆。因此,在现如今人们对混凝土结构精细化分析与设计的要求越来越高的背景下,预测局部破坏的发生以及量化其对整体结构响应的不利影响至关重要。随着计算机软硬件与计算力学的快速发展,数值模拟方法以其效率高、可操作性强和可重复性好的优势,逐渐为人们所重视。然而,已有的数值模拟方法及其理论基础往往无法满足混凝土结构精细化分析与设计的需求。因此,亟需建立和发展能够更为精确地反映混凝土结构全周期响应行为的理论和数值方法。2017年,Wu基于热力学基本理论,探寻到断裂力学领域中的经典相场损伤模型和损伤力学领域中的梯度损伤模型之间的共通点,提出了统一相场损伤理论。不仅将相场模型的应用领域由脆性材料推广至准脆性材料,实现了对众多相场模型的规范化与统一化,而且从理论(数值)上搭建起了断裂力学(离散裂缝模型)与损伤力学(弥散裂缝模型)之间的桥梁,迅速引起了国内外学者的广泛关注。本文首先对统一相场损伤理论的数值实现进行研究,在攻克交错求解算法、位移场与相场自由度交替问题等数值实现技术难题后,统一相场损伤理论在JIVE、OOFEM等开源有限元平台得以实现。随后成功将统一相场损伤理论应用于混凝土结构破坏全过程分析中,旨在为混凝土结构破坏全过程的仿真分析提供新的路径。通过对相场子问题的测试分析,验证了统一相场损伤理论对物理裂缝进行规范化拓扑的合理性。进一步通过对一系列混凝土破坏基准试验进行模拟分析,得到了相场长度尺寸与网格单元尺寸的最优组合比以及建议组合比,并说明了统一相场损伤理论在混凝土I型、混合型破坏中的适用性及优越性。与此同时也验证了交错求解算法具备良好的健壮性。此外,通过两组脆性材料试验的分析,说明统一相场损伤理论不仅适用于混凝土等准脆性材料,也适用于脆性材料,验证了统一相场损伤理论对经典相场损伤模型进行了规范化和统一化。

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