《混凝土复杂非线性断裂模拟的计算方法》

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混凝土作为典型的多相复合材料,具有十分复杂的物理力学特性。因其抗拉强度较低,混凝土结构容易产生裂缝,导致钢筋锈蚀,材料劣化,承载力降低,对其耐久性有很大的影响。因此,研究混凝土断裂产生和扩展的机理,以及抗裂方法和措施,对国民经济的可持续发展具有重要的理论和实践意义。浙江大学建工学院混凝土断裂模拟研究团队,在2005-2012年期间,在国家自然科学基金和浙江省自然科学基金等的资助下,对混凝土断裂模拟的计算方法进行了系统深入的基础理论和应用研究,主要包括:开创了比例边界有限元法模拟准脆性材料静动态断裂扩展和自适应模拟的新方向并取得系统的成果,主要包括:在国际上首次将SBFEM应用于线弹性断裂扩展;首次实现了采用SBFEM的非线性裂缝扩展的模拟;开发了线性和非线性高速动态断裂模型及FEM-SBFEM的耦合模型;基于多边形的静态和动态断裂模型;首次提出了基于能量误差准则的自适应比例边界有限元方法ASBFEM。发展了基于有限元的混凝土和钢筋混凝土结构的非线性复杂离散裂缝扩展的模拟方法,主要包括:对混凝土梁的断裂扩展的数值模型和计算方法进行了深入的研究;采用粘性离散裂缝模型以及网格重分和映射技术和荷载增量全自动计算,对各种混凝土梁的断裂扩展进行了精确的模拟;采用张拉软化模型模拟钢筋混凝土的粘结-滑移,成功模拟了钢筋混凝土梁多条离散裂缝同时扩展。建立了基于随机非均质多相材料三维细观复杂裂缝扩展蒙特卡洛模拟的结构可靠度评估的理论框架,主要包括:建立了基于预设粘性单元的考虑随机非均质材料性能的二维和三维多裂缝复杂断裂问题的有限元模型,在国际上首次成功地对混凝土试件的轴向拉伸实验进行了蒙特卡罗模拟。提出了模拟三维断裂扩展的无网格加辽金算法,主要包括:在国际上首次提出了基于移动最小二乘算法和接触算法的加辽金无网格法,对混凝土试件的三维应力强度因子和裂缝扩展进行了高效的模拟。2005年以来团队成员共发表国际杂志和会议文章100多篇,其中SCI期刊论文50多篇,SCI他引500多次,Google Scholar他引1000多次。其中10篇代表论文SCI他引127次。基于以上学术贡献,尤其是在计算断裂力学领域的系统性成果,第一完成人被授予第五届亚太计算力学学会APACM青年学者奖,首届国际华人计算力学学会ICACM青年学者奖,德国洪堡高级访问学者等,获得浙江省杰出青年基金和多项国际期刊和会议最佳论文奖等,均表明研究成果在计算断裂力学领域的国际领先水平。

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