三維編織壓電復合材料的細觀力學設計及拓撲優(yōu)化設計中文摘要

三維紡織壓電復合材料力學性能的細觀模擬及微結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設計是當前頗具有挑戰(zhàn)性的研究課題。本項目擬在實驗分析基礎上對三維編織壓電復合材料的力學行為進行細觀尺茺的理論和數(shù)值研究，并以剛度、強度等宏觀性能為目標函數(shù)，以相關微結(jié)構(gòu)參數(shù)為設計變量，對材料進行微結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設計的研究。 2100433B

針對三維編織復合材料細觀結(jié)構(gòu)復雜、影響參數(shù)多的特點，提出了計及纖維紗線彎曲的單胞力學分析新模型：發(fā)展了基于均勻化理論的多變量有限元方法，編寫了相應的計算機程序；對三維編織復合材料面內(nèi)剛度和強度性能以及編織工藝進行了實驗研究；將三維均勻化理論與有限元結(jié)合運用到編織復合材料力學性能參數(shù)分析中，給出了其力學性能與編織參數(shù)關系圖，對單胞細觀應力進行了數(shù)值模擬，定量地給出了單胞全場的應力場；對1998年才出現(xiàn)的新型材料-三維編織壓電復合材料的電彈模量進行了預測，給出了這些常數(shù)與編織參數(shù)之間的關系圖，并對單胞的細觀應力進行了數(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象，擬自行研發(fā)三維細觀結(jié)構(gòu)重建系統(tǒng)，并用于土石混合體試樣的三維重建、三維細觀結(jié)構(gòu)定量分析及數(shù)值試驗；通過野外大尺度粒度分析、量測及數(shù)字圖像定量分析等方法，提出土石混合體的細觀結(jié)構(gòu)在宏觀統(tǒng)計層次上的規(guī)律性；完善已研發(fā)的土石混合體三維隨機細觀結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)，用于土石混合體試樣的隨機生成及數(shù)值試驗；運用室內(nèi)大型三軸試驗、基于三維重建模型及隨機模型的細觀力學數(shù)值試驗方法，研究土石混合體的變形破壞機制、細觀及宏觀力學行為特征。本項目的創(chuàng)新點包括：揭示土石混合體細觀結(jié)構(gòu)的規(guī)律性；研發(fā)土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)；揭示土石混合體的細觀力學特征。本項目的研究成果對于揭示土石混合體的在外荷載作用下的細觀應力場特征、損傷及變形破壞機制、細觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學特征之間的關系，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；其研究成果對于其它非均質(zhì)材料的研究也具有借鑒意義和應用價值。

課題以土石混合體為研究對象，從結(jié)構(gòu)性特征入手，運用力學試驗、數(shù)值試驗等技術手段，開展其細觀力學及變形破裂機理研究，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)性定量評價指標體系，揭示了其內(nèi)部塊石形態(tài)特征呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性及細觀結(jié)構(gòu)自組織性特征，填補了該項研究的空白。 2）開展了土石混合體的多結(jié)構(gòu)及多尺度力學試驗研究，成果表明土石混合體的細觀結(jié)構(gòu)對其力學性質(zhì)有明顯影響。由于塊石的咬合及骨架作用，試樣抗剪強度隨含石量增大而增大；含石量相等時，含有較多大粒徑塊石的試樣具有較高的偏應力和較小的體縮量。同時也表現(xiàn)出明顯的尺寸效應，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觀結(jié)構(gòu)精細化建模方法，自主研發(fā)了一系列土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)精細化建模系統(tǒng)，使得對土石混合體細觀力學研究由二維發(fā)展到三維、由隨機模擬發(fā)展到真實結(jié)構(gòu)模型生成，為細觀力學計算分析奠定了堅實的模型基礎，到達國際領先水平。 4）提出了基于球顆粒的三維非連續(xù)變形分析方法，推導了相應的理論公式，研發(fā)了相應的計算程序3D-DDAS，將其應用于顆粒集合體細觀力學及破壞機理研究，取得了較好的效果。 5）發(fā)展了土石混合體細觀力學及顆粒力學研究，深入揭示土石混合體的變形破裂機理、宏-細力學性質(zhì)。建立了系統(tǒng)的顆粒離散元細觀定量分析方法，并開發(fā)了軟件分析系統(tǒng)；提出了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的顆粒離散元細觀力學參數(shù)反演分析方法；基于原位及室內(nèi)試驗成果，用顆粒離散元方法系統(tǒng)開展了土石混合體細觀力學數(shù)值試驗研究，深入揭示了土石混合體試樣的宏觀力學行為與變形局部化有密切的聯(lián)系，及變形破裂細觀演化機理。 6）針對我國地震災區(qū)發(fā)生的重大滑坡災害、堵江形成堰塞體的機理及結(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強度折減法的基本思想，實現(xiàn)了滑坡穩(wěn)定系數(shù)的自動計算分析，將其應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，為指導防災減災提供了依據(jù)。 項目研究成果不但深化和發(fā)展了土石混合體細觀力學特性，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