广义梁链网模型及其在结构和材料中的应用

• 作 者: 刘金兴
• 机 构: 中国科学院力学研究所
• 出 处: 中国科学院力学研究所
• 发表日期: 2017年期
• 关键词: 非均匀材

块体堆砌结构和颗粒复合材料都属于非均匀材料。含微结构材料的内部结构对其宏观力学行为有重要影响，因此在宏观层次上不能把该类材料处理为传统连续介质。为了分析微结构和宏观行为之间的关系，进行了如下研究：　　
⑴建立了广义梁链网模型。在块体堆砌结构中，考虑了块体的平移和转动，并且把每两个相邻的块体及其间结合层作为基本单元——广义梁单元。另外，该模型作适当的改变后也可用于模拟颗粒复合材料的断裂行为。　　
⑵基于广义梁链网模型研究了块体堆砌结构的线弹性力学性质：①模型有效性的验证。模拟了几个算例，并与有限元结果和离散元结果进行比较；②微极弹性常数的标定。针对周期性堆砌结构，根据应变能等效原理推导出了微极弹性常数关于微观力学参数的函数表达式；③转动自由度的分解。把转动自由度分解为宏观转动和微观转动，并且推导出了两种转动的微观表达式。分析了微观力学参数和调和数对变形场的影响；④尺度效应的研究。从理论和数值角度考察了由块体特征尺寸引起的尺度效应。　　
⑶发展了一种模拟断裂的新型方法。断裂过程中，应力达到失效阈值的材料单元将进行内力释放，导致整个试件的受力状态发生改变。从应力重分配机制出发，根据叠加原理发展了模拟断裂的新方法。该方法与试验结果的吻合，表明了其有效性。　　
⑷分析了颗粒复合材料的断裂行为。把广义梁链网模型作为该类材料的细观模型，使用基于应力重分配的新算法研究了断裂与材料结构的关联：①程序有效性的验证。通过与大量文献结果的比较，验证了程序的有效性；②颗粒分布方式的影响。研究表明，颗粒分布方式影响断裂过程的显著程度，因加载和约束条件不同而不同；③简要讨论了材料的非均匀性与宏观软化行为的关联；④建立了三维广义梁链网模型，并基于该三维模型研究了颗粒体积含量对最大载荷、延展性和裂纹模式的影响，展示了断裂过程的三维效应。