【摘要】：混凝土材料作為一種典型的多尺度顆粒隨機(jī)分布復(fù)合材料,是在土木、水利、建筑工程等領(lǐng)域應(yīng)用最廣的建筑材料。隨著重大土-水-建工程的興建,土-水-建工程的設(shè)計(jì)和建造走向精細(xì)化,以及計(jì)算技術(shù)和科學(xué)計(jì)算的發(fā)展,越來越多的學(xué)者開始關(guān)注混凝土材料及其結(jié)構(gòu)的多尺度建模、材料與結(jié)構(gòu)一體化的多尺度分析,以便更精確地預(yù)測(cè)和分析混凝土材料及其結(jié)構(gòu)的物理和力學(xué)性能,為工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)和技術(shù)支撐�；诰鶆蚧碚摱l(fā)展起來的多尺度方法,通過引入材料微-細(xì)觀隨機(jī)構(gòu)造的單胞模型,建立起混凝土微-細(xì)觀構(gòu)造與結(jié)構(gòu)件,直到宏觀結(jié)構(gòu)性能之間的多尺度關(guān)聯(lián)關(guān)系。多尺度方法不僅能有效地預(yù)測(cè)材料的等效參數(shù),還能夠精確地捕捉材料內(nèi)部的局部構(gòu)造特征,從而能夠更精確地預(yù)測(cè)材料及其結(jié)構(gòu)在建造期和服役期的力學(xué)和熱力學(xué)性能。本文圍繞著混凝土材料及其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的預(yù)測(cè)和分析,開展了相應(yīng)高階多尺度模型的理論、算法及其數(shù)值模擬技術(shù)的研究,主要研究工作及取得的研究成果如下:1.將統(tǒng)計(jì)二階雙尺度分析方法應(yīng)用于混凝土材料力學(xué)性能的預(yù)測(cè),通過引入統(tǒng)一強(qiáng)度理論計(jì)算了相應(yīng)的抗拉和抗壓強(qiáng)度參數(shù)。將雙尺度計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)作比較,驗(yàn)證了方法的有效性,同時(shí)分析了不同骨料類型對(duì)等效參數(shù)的影響。2.針對(duì)隨機(jī)復(fù)合材料粘彈性性能的預(yù)測(cè),發(fā)展了一種統(tǒng)計(jì)二階雙尺度分析方法,給出了相應(yīng)的算法過程,并將其應(yīng)用到混凝土材料徐變行為的計(jì)算。計(jì)算了晚齡期混凝土材料在恒定壓力載荷作用下的徐變行為,通過與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了該方法的有效性。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步討論了孔隙率和纖維的空間分布對(duì)硬化水泥漿和纖維混凝土材料徐變行為的影響。3.針對(duì)周期結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的老化粘彈性問題,發(fā)展了相應(yīng)的二階雙尺度方法,通過誤差分析和數(shù)值算例驗(yàn)證了二階雙尺度近似解能夠更好地逼近原問題的真實(shí)解,說明了二階校正項(xiàng)的必要性。從計(jì)算量的比較來看,采用傳統(tǒng)的有限元方法求解這類問題時(shí)需要非常精細(xì)的網(wǎng)格剖分,使得求解規(guī)模非常之大,而二階雙尺度方法將原問題轉(zhuǎn)換成一個(gè)宏觀均質(zhì)區(qū)域的均勻化問題和幾個(gè)簡(jiǎn)單的單胞問題,所需要的計(jì)算代價(jià)要遠(yuǎn)小于有限元法。把上述的二階雙尺度公式推廣到隨機(jī)情形,將其用于混凝土材料徐變性能的分析,給出了有效松弛模量及局部單胞上應(yīng)變和應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算公式。通過數(shù)值算例討論了不同骨料類型和加載齡期對(duì)宏觀徐變性能的影響,分析了混凝土結(jié)構(gòu)在徐變過程中的應(yīng)力和應(yīng)變的重分布情況。4.針對(duì)具有細(xì)-微觀雙重小周期構(gòu)造復(fù)合材料的彈性力學(xué)問題,發(fā)展了一種高階三尺度分析方法,推導(dǎo)了高階三尺度近似解表達(dá)式,給出了計(jì)算位移場(chǎng)的算法流程。高階三尺度方法的基本思想是通過引入微觀尺度單胞,在二階雙尺度解的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的校正,進(jìn)而更加精確地捕捉材料內(nèi)部的微觀局部振蕩行為。通過數(shù)值算例說明了引入微觀的高階修正項(xiàng)是完全必要的,所給出的算法是有效的。該三尺度方法可以很容易推廣到隨機(jī)問題,用于混凝土材料及其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的預(yù)測(cè)和分析。
【圖文】：

（a）周期結(jié)構(gòu) （b）隨機(jī)結(jié)構(gòu)圖 1-1 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)分類混凝土目前已經(jīng)成為土木、水利工程，城市的公共和民用建筑，，熱電站以及核用最廣泛的建筑材料，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的建設(shè)以及人類社會(huì)的發(fā)展起著舉足輕重的

圖 1-2 混凝土材料的內(nèi)部構(gòu)成示意圖綜上所述，本文針對(duì)混凝土類材料的力學(xué)性能，研究了相應(yīng)力學(xué)行為分析的高階多尺度模型及其算法。本文的工作主要集中在宏細(xì)觀尺度上，旨在研究混凝土類材料宏觀性能和細(xì)觀結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，為新型混凝土材料的設(shè)計(jì)與研發(fā)提供可靠有效的數(shù)值算法，
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TU528

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4 記者 韓慶s⊥ㄑ對(duì)

本文編號(hào)：2579183