三維編織壓電復(fù)合材料的細(xì)觀力學(xué)設(shè)計(jì)及拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

三維紡織壓電復(fù)合材料力學(xué)性能的細(xì)觀模擬及微結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)是當(dāng)前頗具有挑戰(zhàn)性的研究課題。本項(xiàng)目擬在實(shí)驗(yàn)分析基礎(chǔ)上對(duì)三維編織壓電復(fù)合材料的力學(xué)行為進(jìn)行細(xì)觀尺茺的理論和數(shù)值研究，并以剛度、強(qiáng)度等宏觀性能為目標(biāo)函數(shù)，以相關(guān)微結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，對(duì)材料進(jìn)行微結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的研究。 2100433B

針對(duì)三維編織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、影響參數(shù)多的特點(diǎn)，提出了計(jì)及纖維紗線彎曲的單胞力學(xué)分析新模型：發(fā)展了基于均勻化理論的多變量有限元方法，編寫了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序；對(duì)三維編織復(fù)合材料面內(nèi)剛度和強(qiáng)度性能以及編織工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；將三維均勻化理論與有限元結(jié)合運(yùn)用到編織復(fù)合材料力學(xué)性能參數(shù)分析中，給出了其力學(xué)性能與編織參數(shù)關(guān)系圖，對(duì)單胞細(xì)觀應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值模擬，定量地給出了單胞全場(chǎng)的應(yīng)力場(chǎng)；對(duì)1998年才出現(xiàn)的新型材料-三維編織壓電復(fù)合材料的電彈模量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，給出了這些常數(shù)與編織參數(shù)之間的關(guān)系圖，并對(duì)單胞的細(xì)觀應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值分析，得到了一些有意義的結(jié)果。 2100433B

本課題以土石混合體為研究對(duì)象，擬自行研發(fā)三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)重建系統(tǒng)，并用于土石混合體試樣的三維重建、三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)定量分析及數(shù)值試驗(yàn)；通過野外大尺度粒度分析、量測(cè)及數(shù)字圖像定量分析等方法，提出土石混合體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)在宏觀統(tǒng)計(jì)層次上的規(guī)律性；完善已研發(fā)的土石混合體三維隨機(jī)細(xì)觀結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)，用于土石混合體試樣的隨機(jī)生成及數(shù)值試驗(yàn)；運(yùn)用室內(nèi)大型三軸試驗(yàn)、基于三維重建模型及隨機(jī)模型的細(xì)觀力學(xué)數(shù)值試驗(yàn)方法，研究土石混合體的變形破壞機(jī)制、細(xì)觀及宏觀力學(xué)行為特征。本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)包括：揭示土石混合體細(xì)觀結(jié)構(gòu)的規(guī)律性；研發(fā)土石混合體三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)；揭示土石混合體的細(xì)觀力學(xué)特征。本項(xiàng)目的研究成果對(duì)于揭示土石混合體的在外荷載作用下的細(xì)觀應(yīng)力場(chǎng)特征、損傷及變形破壞機(jī)制、細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)特征之間的關(guān)系，并為建立土石混合體的結(jié)構(gòu)化本構(gòu)模型具有理論意義；其研究成果對(duì)于其它非均質(zhì)材料的研究也具有借鑒意義和應(yīng)用價(jià)值。

課題以土石混合體為研究對(duì)象，從結(jié)構(gòu)性特征入手，運(yùn)用力學(xué)試驗(yàn)、數(shù)值試驗(yàn)等技術(shù)手段，開展其細(xì)觀力學(xué)及變形破裂機(jī)理研究，并取得了以下重要的研究成果： 1）提出了土石混合體結(jié)構(gòu)性定量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，揭示了其內(nèi)部塊石形態(tài)特征呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性及細(xì)觀結(jié)構(gòu)自組織性特征，填補(bǔ)了該項(xiàng)研究的空白。 2）開展了土石混合體的多結(jié)構(gòu)及多尺度力學(xué)試驗(yàn)研究，成果表明土石混合體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)其力學(xué)性質(zhì)有明顯影響。由于塊石的咬合及骨架作用，試樣抗剪強(qiáng)度隨含石量增大而增大；含石量相等時(shí)，含有較多大粒徑塊石的試樣具有較高的偏應(yīng)力和較小的體縮量。同時(shí)也表現(xiàn)出明顯的尺寸效應(yīng)，由于膜邊界約束及同等尺寸塊石在小尺度試樣的控制性作用，土石混合體軸向偏應(yīng)力隨試樣尺寸增大而減小。 3）豐富和發(fā)展了土石混合體三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)精細(xì)化建模方法，自主研發(fā)了一系列土石混合體三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)精細(xì)化建模系統(tǒng)，使得對(duì)土石混合體細(xì)觀力學(xué)研究由二維發(fā)展到三維、由隨機(jī)模擬發(fā)展到真實(shí)結(jié)構(gòu)模型生成，為細(xì)觀力學(xué)計(jì)算分析奠定了堅(jiān)實(shí)的模型基礎(chǔ)，到達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水平。 4）提出了基于球顆粒的三維非連續(xù)變形分析方法，推導(dǎo)了相應(yīng)的理論公式，研發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算程序3D-DDAS，將其應(yīng)用于顆粒集合體細(xì)觀力學(xué)及破壞機(jī)理研究，取得了較好的效果。 5）發(fā)展了土石混合體細(xì)觀力學(xué)及顆粒力學(xué)研究，深入揭示土石混合體的變形破裂機(jī)理、宏-細(xì)力學(xué)性質(zhì)。建立了系統(tǒng)的顆粒離散元細(xì)觀定量分析方法，并開發(fā)了軟件分析系統(tǒng)；提出了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的顆粒離散元細(xì)觀力學(xué)參數(shù)反演分析方法；基于原位及室內(nèi)試驗(yàn)成果，用顆粒離散元方法系統(tǒng)開展了土石混合體細(xì)觀力學(xué)數(shù)值試驗(yàn)研究，深入揭示了土石混合體試樣的宏觀力學(xué)行為與變形局部化有密切的聯(lián)系，及變形破裂細(xì)觀演化機(jī)理。 6）針對(duì)我國(guó)地震災(zāi)區(qū)發(fā)生的重大滑坡災(zāi)害、堵江形成堰塞體的機(jī)理及結(jié)構(gòu)特性開展系統(tǒng)研究工作，提出了其失穩(wěn)堵江的四階段模式。提出了DDA強(qiáng)度折減法的基本思想，實(shí)現(xiàn)了滑坡穩(wěn)定系數(shù)的自動(dòng)計(jì)算分析，將其應(yīng)用于一大型土石混合體滑坡的二維穩(wěn)定性特征及破壞模式研究，為指導(dǎo)防災(zāi)減災(zāi)提供了依據(jù)。 項(xiàng)目研究成果不但深化和發(fā)展了土石混合體細(xì)觀力學(xué)特性，而且其研究成果也適用于混凝土及其它非均質(zhì)材料的研究。 2100433B