骨材料的多尺度損傷力學(xué)理論模型研究

作為人體重要的器官的骨組織是一種結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜的生物復(fù)合材料，其損傷力學(xué)行為研究本身具有相當(dāng)大的難度，而骨組織的損傷演化對(duì)人體健康也具有重大意義。骨的損傷具有多尺度、各項(xiàng)異性及不同載荷導(dǎo)致的損傷模式不同等極為復(fù)雜的特性，其損傷力學(xué)行為極為復(fù)雜。如何用理論定量描述、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)骨的損傷就成為一個(gè)迫切的問(wèn)題。本項(xiàng)目針對(duì)目前骨損傷理論模型簡(jiǎn)單無(wú)法反映骨各向異性多尺度損傷的問(wèn)題，引入微裂紋擴(kuò)展區(qū)細(xì)觀損傷力學(xué)理論，基于多尺度的實(shí)驗(yàn)觀察，在骨單元和骨內(nèi)線(xiàn)裂紋兩個(gè)尺度分別建立各自的損傷本構(gòu)和演化方程；利用數(shù)字散斑相關(guān)方法對(duì)骨的兩尺度損傷力學(xué)行為進(jìn)行觀測(cè)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)識(shí)別不同尺度的損傷模型參數(shù)；選取合適的損傷變量，將兩個(gè)尺度的損傷本構(gòu)耦合組成跨尺度的骨損傷力學(xué)本構(gòu)模型；最后基于新建立的損傷力學(xué)模型，考慮骨的重建修復(fù)作用，模擬一些典型的與骨損傷有關(guān)的臨床案例，驗(yàn)證模型的有效性和可靠性。本項(xiàng)目發(fā)展了一種更為精確的、能反映骨多級(jí)結(jié)構(gòu)的多尺度損傷理論模型，根據(jù)骨的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將該問(wèn)題解耦成骨單元和線(xiàn)裂紋兩個(gè)尺度的損傷問(wèn)題，通過(guò)數(shù)字散斑實(shí)驗(yàn)一方面觀測(cè)骨的多尺度損傷演化過(guò)程，另一方面對(duì)損傷進(jìn)行識(shí)別，確定模型參數(shù)，最后基于新得到的模型，結(jié)合多場(chǎng)耦合下的骨重建修復(fù)模型，更好地對(duì)骨的損傷力學(xué)行為進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)。從技術(shù)層面看，最新的細(xì)觀損傷力學(xué)方法、數(shù)字散斑相關(guān)方法在巖石損傷中的應(yīng)用以及與之對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)識(shí)別方法等的不斷發(fā)展和成熟為本項(xiàng)目的順利實(shí)施提供了良好保證。而從具體的骨材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段驗(yàn)證與補(bǔ)充的研究方法，也可以推動(dòng)細(xì)觀損傷力學(xué)理論與方法在骨的損傷領(lǐng)域得到更好地應(yīng)用。本項(xiàng)目從具體的骨材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段驗(yàn)證與補(bǔ)充的研究方法，可以推動(dòng)細(xì)觀損傷力學(xué)理論與方法在骨的損傷領(lǐng)域得到更好地應(yīng)用，使對(duì)骨損傷的定量理論描述更加精確。 2100433B

作為人體重要的器官的骨組織是一種結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜的生物復(fù)合材料，其損傷力學(xué)行為研究本身具有相當(dāng)大的難度，而骨組織的損傷演化對(duì)人體健康也具有重大意義。本項(xiàng)目針對(duì)目前骨損傷理論模型簡(jiǎn)單無(wú)法反映骨各向異性多尺度損傷的問(wèn)題，引入微裂紋擴(kuò)展區(qū)細(xì)觀損傷力學(xué)理論，基于多尺度的實(shí)驗(yàn)觀察，在骨單元和骨內(nèi)線(xiàn)裂紋兩個(gè)尺度分別建立各自的損傷本構(gòu)和演化方程；利用數(shù)字散斑相關(guān)方法對(duì)骨的兩尺度損傷力學(xué)行為進(jìn)行觀測(cè)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)識(shí)別不同尺度的損傷模型參數(shù)；選取合適的損傷變量，將兩個(gè)尺度的損傷本構(gòu)耦合組成跨尺度的骨損傷力學(xué)本構(gòu)模型；最后基于新建立的損傷力學(xué)模型，考慮骨的重建修復(fù)作用，模擬一些典型的與骨損傷有關(guān)的臨床案例，驗(yàn)證模型的有效性和可靠性。本項(xiàng)目從具體的骨材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段驗(yàn)證與補(bǔ)充的研究方法，可以推動(dòng)細(xì)觀損傷力學(xué)理論與方法在骨的損傷領(lǐng)域得到更好地應(yīng)用，使對(duì)骨損傷的定量理論描述更加精確。

多尺度模擬是近年來(lái)巖土材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。青年基金項(xiàng)目“多尺度損傷本構(gòu)模型及其在巖土力學(xué)中的應(yīng)用”是本人在巖土材料多尺度本構(gòu)理論研究方面的拓展和深化。研究?jī)?nèi)容主要包括裂隙巖石多尺度非局部化損傷本構(gòu)理論、基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)值模擬以及相關(guān)的多尺度數(shù)值方法等三個(gè)方面。通過(guò)三年的努力，項(xiàng)目研究圓滿(mǎn)完成了各項(xiàng)任務(wù)，提出了一個(gè)僅包含五個(gè)參數(shù)的各向異性單邊損傷摩擦耦合模型，開(kāi)展了水力耦合和時(shí)效變形本構(gòu)模型研究，研制了相關(guān)的數(shù)值程序，基于脆性巖石材料完成了模型的數(shù)值驗(yàn)證；開(kāi)發(fā)了基于一種彈性問(wèn)題Lippmann-Schwinger方程的增量迭代無(wú)網(wǎng)格算法，并利用圖像分析技術(shù)獲取的混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模型；在基于細(xì)觀力學(xué)的強(qiáng)度準(zhǔn)則及參數(shù)跨尺度關(guān)聯(lián)、強(qiáng)耦合非線(xiàn)性模型的解析解等方面取得了超出預(yù)期的研究成果。該項(xiàng)目提供了一個(gè)損傷和破壞機(jī)理清晰、參數(shù)少且物理意義明確的統(tǒng)一的多尺度巖石力學(xué)本構(gòu)模型，研究表明基于單邊損傷和摩擦耦合分析能夠解釋和模擬準(zhǔn)脆性巖石類(lèi)材料絕大部分的物理現(xiàn)象和力學(xué)行為；提出的數(shù)值算法為各向異性強(qiáng)耦合本構(gòu)模型用于大型巖體結(jié)構(gòu)的分析提供技術(shù)支撐。 2100433B

多尺度方法致力于從材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)及其變化等信息來(lái)描述和模擬其宏觀的物理力學(xué)行為。例如基于顆粒間的受力網(wǎng)絡(luò)、接觸和滑移可以建立顆粒材料宏觀的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。對(duì)于裂隙巖體，基于均質(zhì)化理論的細(xì)觀損傷本構(gòu)模型能夠有效描述裂紋的發(fā)展、空間分布、張開(kāi)或閉合狀態(tài)以及裂隙面的摩擦等復(fù)雜現(xiàn)象，因而更適于模擬材料的各向異性和非線(xiàn)性力學(xué)行為。多尺度方法已被認(rèn)為是研究材料本構(gòu)的有效工具。本項(xiàng)目擬在連續(xù)損傷本構(gòu)理論方面開(kāi)展探索性研究，力求解決以下三個(gè)理論應(yīng)用問(wèn)題：1) 建立現(xiàn)象學(xué)損傷模型和細(xì)觀損傷模型之間的內(nèi)在聯(lián)系，結(jié)合兩類(lèi)損傷模型的優(yōu)點(diǎn)發(fā)展新的損傷模型，基于均質(zhì)化方法，實(shí)現(xiàn)損傷摩擦耦合模型向水-熱-力學(xué)多場(chǎng)耦合模型的擴(kuò)展；2) 探索損傷非局部化的新方法，消除結(jié)構(gòu)計(jì)算中由于應(yīng)變軟化引起的網(wǎng)格依賴(lài)現(xiàn)象；3) 發(fā)展一種多尺度數(shù)值方法，模擬從材料損傷到結(jié)構(gòu)破壞的非線(xiàn)性過(guò)程。

復(fù)合材料多尺度漸進(jìn)失效理論方法研究是重要基礎(chǔ)研究方向。然而，多尺度漸進(jìn)失效分析常常遇到應(yīng)變局部化問(wèn)題，導(dǎo)致微觀胞元模型失去存在的合理性和客觀性，多尺度分析也失去了意義。至今，國(guó)內(nèi)外在考慮局部化問(wèn)題上的復(fù)合材料多尺度力學(xué)性能研究很少。在國(guó)家自然科學(xué)基金資助下，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人系統(tǒng)地開(kāi)展了復(fù)合材料非局部多尺度漸進(jìn)失效理論研究，主要?jiǎng)?chuàng)新工作體現(xiàn)在6個(gè)方面：（1）在國(guó)際上原創(chuàng)性地提出一個(gè)預(yù)測(cè)復(fù)合材料層內(nèi)損傷和層間分層的統(tǒng)一非局部理論模型和有限元數(shù)值算法，通過(guò)引入并實(shí)現(xiàn)非局部積分理論解決了復(fù)合材料中應(yīng)變局部化帶來(lái)的數(shù)值問(wèn)題，（2）在國(guó)際上首次將零厚度3D內(nèi)聚力數(shù)值技術(shù)應(yīng)用于壓縮載荷作用下的復(fù)合材料分層失效研究中，探討了不同內(nèi)聚力形狀、內(nèi)聚力強(qiáng)度對(duì)后屈曲與分層相互作用機(jī)理的影響規(guī)律，（3）在國(guó)際上原創(chuàng)性地提出了一個(gè)內(nèi)聚力/摩擦接觸耦合的本構(gòu)模型，應(yīng)用于剪切載荷作用下的復(fù)合材料分層失效研究，（4）提出了一個(gè)考慮含熱殘余應(yīng)力的復(fù)合材料微觀漸進(jìn)失效有限元模型以及考慮應(yīng)變局部化問(wèn)題的Mori-Tanaka宏微觀多尺度均勻化方法，（5）在國(guó)際上首次開(kāi)展了濕熱環(huán)境下復(fù)合材料層合板分層失效聲發(fā)射測(cè)試技術(shù)研究，（6）發(fā)展了低速?zèng)_擊載荷作用下彈性和彈塑性復(fù)合材料層合板動(dòng)態(tài)層內(nèi)漸進(jìn)損傷和層間分層的理論模型和有限元數(shù)值技術(shù)。負(fù)責(zé)人以第一或通訊作者共發(fā)表SCI論文13篇（JCR工程類(lèi)1區(qū)論文2篇、2區(qū)論文5篇）、EI論文4篇，申請(qǐng)登記軟件著作權(quán)3項(xiàng)。研究成果對(duì)于解決多尺度分析中的應(yīng)變局部化問(wèn)題，推動(dòng)和完善復(fù)合材料均勻化理論，揭示復(fù)合材料失效機(jī)理以及剛度、強(qiáng)度性能退化機(jī)理，提升復(fù)合材料領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究水平與服役性能預(yù)測(cè)能力、具有重要理論和應(yīng)用價(jià)值。 2100433B