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混凝土损伤与断裂的半均质化近场动力学模型

计算力学新方法，新理论 > 近场动力学

近场动力学(peridynamics，PD)是一种新兴的基于非局部作用思想建立模型并通过求解空间积分方程描述物质力学行为的方法，避免了基于连续性假设建模和求解空间微分方程的传统宏观方法在求解不连续问题时的奇异性。近场动力学方法无需额外的断裂准则就能很好的模拟损伤和断裂的自然演化，在处理损伤和断裂问题上具有天然的理论优势。在近场动力学理论中，物质点与一定距离范围内的物质点通过机械键相互作用。在该非局部区域内，微尺度的非均质结构可以通过改变机械键的属性或者分布来表达。基于此，我们建立了近场动力学半均质化模型。在非均质材料半均质化模型中，近场动力学机械键将被分为两种：相内键和相间键。例如在两相（A相材料和B相材料）复合材料的半均质模型中，有A-A键(相内键)，A-B键(相间键)和B-B键(相内键)。不同的键将被赋予相应的力学性质，相间键可以采用调和平均的方式求得或者根据实验对界面力学性质的表征结果来给定。在近场动力学半均质化模型中，机械键的分布取决于各相材料的体积比和结构分布。在本研究中，我们将混凝土看作由砂浆与骨料组成的两相材料，建立了混凝土的半均质化近场动力学模型，研究了混凝土在静、动态加载下的裂纹扩展情况，并引入额外的断裂准则以去除II型断裂模式下裂纹两侧残余的机械键，很好的模拟了混凝土在混合断裂模式下的裂纹扩展。该模型与传统的全均质化模型相比，尽可能多的保留了可以引发混凝土断裂的微观结构信息，能更准确地预测混凝土的裂纹扩展；而与全显式微结构方法相比，它无需预设混凝土内部详细的非均质结构分布，降低了总计算量，提高了计算效率。