骨材料的多尺度損傷力學(xué)理論模型研究結(jié)題摘要

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人體健康也具有重大意義。骨的損傷具有多尺度、各項異性及不同載荷導(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、實驗監(jiān)測和評價骨的損傷就成為一個迫切的問題。本項目針對目前骨損傷理論模型簡單無法反映骨各向異性多尺度損傷的問題，引入微裂紋擴展區(qū)細(xì)觀損傷力學(xué)理論，基于多尺度的實驗觀察，在骨單元和骨內(nèi)線裂紋兩個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)方法對骨的兩尺度損傷力學(xué)行為進行觀測，通過實驗識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，驗證模型的有效性和可靠性。本項目發(fā)展了一種更為精確的、能反映骨多級結(jié)構(gòu)的多尺度損傷理論模型，根據(jù)骨的結(jié)構(gòu)特點，將該問題解耦成骨單元和線裂紋兩個尺度的損傷問題，通過數(shù)字散斑實驗一方面觀測骨的多尺度損傷演化過程，另一方面對損傷進行識別，確定模型參數(shù)，最后基于新得到的模型，結(jié)合多場耦合下的骨重建修復(fù)模型，更好地對骨的損傷力學(xué)行為進行模擬和預(yù)測。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)用以及與之對應(yīng)的實驗識別方法等的不斷發(fā)展和成熟為本項目的順利實施提供了良好保證。而從具體的骨材料結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)代實驗技術(shù)手段驗證與補充的研究方法，也可以推動細(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。本項目從具體的骨材料結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)代實驗技術(shù)手段驗證與補充的研究方法，可以推動細(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人體健康也具有重大意義。本項目針對目前骨損傷理論模型簡單無法反映骨各向異性多尺度損傷的問題，引入微裂紋擴展區(qū)細(xì)觀損傷力學(xué)理論，基于多尺度的實驗觀察，在骨單元和骨內(nèi)線裂紋兩個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)方法對骨的兩尺度損傷力學(xué)行為進行觀測，通過實驗識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，驗證模型的有效性和可靠性。本項目從具體的骨材料結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)代實驗技術(shù)手段驗證與補充的研究方法，可以推動細(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，使對骨損傷的定量理論描述更加精確。

多尺度模擬是近年來巖土材料研究領(lǐng)域的熱點之一。青年基金項目“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。研究內(nèi)容主要包括裂隙巖石多尺度非局部化損傷本構(gòu)理論、基于實驗數(shù)據(jù)的數(shù)值模擬以及相關(guān)的多尺度數(shù)值方法等三個方面。通過三年的努力，項目研究圓滿完成了各項任務(wù)，提出了一個僅包含五個參數(shù)的各向異性單邊損傷摩擦耦合模型，開展了水力耦合和時效變形本構(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)值驗證；開發(fā)了基于一種彈性問題Lippmann-Schwinger方程的增量迭代無網(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)進行了數(shù)值模型；在基于細(xì)觀力學(xué)的強度準(zhǔn)則及參數(shù)跨尺度關(guān)聯(lián)、強耦合非線性模型的解析解等方面取得了超出預(yù)期的研究成果。該項目提供了一個損傷和破壞機理清晰、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。本項目擬在連續(xù)損傷本構(gòu)理論方面開展探索性研究，力求解決以下三個理論應(yīng)用問題：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)合兩類損傷模型的優(yōu)點發(fā)展新的損傷模型，基于均質(zhì)化方法，實現(xiàn)損傷摩擦耦合模型向水-熱-力學(xué)多場耦合模型的擴展；2) 探索損傷非局部化的新方法，消除結(jié)構(gòu)計算中由于應(yīng)變軟化引起的網(wǎng)格依賴現(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)破壞的非線性過程。

復(fù)合材料多尺度漸進失效理論方法研究是重要基礎(chǔ)研究方向。然而，多尺度漸進失效分析常常遇到應(yīng)變局部化問題，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，國內(nèi)外在考慮局部化問題上的復(fù)合材料多尺度力學(xué)性能研究很少。在國家自然科學(xué)基金資助下，項目負(fù)責(zé)人系統(tǒng)地開展了復(fù)合材料非局部多尺度漸進失效理論研究，主要創(chuàng)新工作體現(xiàn)在6個方面：（1）在國際上原創(chuàng)性地提出一個預(yù)測復(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，通過引入并實現(xiàn)非局部積分理論解決了復(fù)合材料中應(yīng)變局部化帶來的數(shù)值問題，（2）在國際上首次將零厚度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)聚力強度對后屈曲與分層相互作用機理的影響規(guī)律，（3）在國際上原創(chuàng)性地提出了一個內(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）提出了一個考慮含熱殘余應(yīng)力的復(fù)合材料微觀漸進失效有限元模型以及考慮應(yīng)變局部化問題的Mori-Tanaka宏微觀多尺度均勻化方法，（5）在國際上首次開展了濕熱環(huán)境下復(fù)合材料層合板分層失效聲發(fā)射測試技術(shù)研究，（6）發(fā)展了低速沖擊載荷作用下彈性和彈塑性復(fù)合材料層合板動態(tài)層內(nèi)漸進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1區(qū)論文2篇、2區(qū)論文5篇）、EI論文4篇，申請登記軟件著作權(quán)3項。研究成果對于解決多尺度分析中的應(yīng)變局部化問題，推動和完善復(fù)合材料均勻化理論，揭示復(fù)合材料失效機理以及剛度、強度性能退化機理，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)測能力、具有重要理論和應(yīng)用價值。 2100433B