混凝土损伤协同相变分析

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混凝土损伤一直是工程力学界研究的热门领域,虽然众多研究工作者对混凝土的损伤和破坏已进行了多年、广泛的研究,但仍末找到令人满意的答案,钱学森院士更是将其归入“连基本概念也还不十分清楚的问题”。事实上,混凝土的破坏是各种尺度损伤的演化、发展和累积所造成的,从微观尺度上原子键的断裂、晶格的位错(10-16-10-10m)等组成上的变化,到宏观尺度上结构构件的损伤、断裂(10-3-100m)的产生,所以经典意义上的混凝土损伤力学模型的研究尺度(10-4-10-6m),在整个损伤演化尺度中所占的比例非常小。因此,要想全面、客观的描述混凝土损伤演化过程,就不能局限于某一损伤尺度的研究,而应从系统的角度出发,借助于先进成熟的系统方法论,如下面介绍的协同学,来对其展开研究。  协同学的创始人H.Haken在研究激光物理时发现,某种远离平衡的系统中所发生的无序-有序的转变,与平衡相变之间有着某些类似的性质,而这种类似性在物理、化学、生物学及其它学科领域,都有着普遍的意义。因此,可将研究某一领域的系统相变的方法,应用到其它领域的系统相变研究中来,这就是协同学的相变类比思想。经过近半个世纪的发展,协同学相变类比的方法已经发展成熟,并且在各个领域中都有大量的应用。  已有的大量实验表明,在整个混凝土损伤演化过程中,损伤由最初的随机无序分布状态逐渐演化为破坏区域集中有序分布,这是从无序到有序演化所表现出来的特有现象,具有明显的自组织特征。因此,混凝土损伤过程从本质上来说,是其内部各子系统损伤在协同合作的基础上,对各种外界作用产生的具有明显自组织性反应的唯象表现,其特征与平衡态中出现的相变现象类似。  根据混凝土损伤演化过程中具有相变特征的唯象表现,我们可根据平衡相变的平均场理论,即Landau相变理论的基本概念和处理方法,类比到混凝土损伤相变过程中来。同时又考虑到相变临界点处Landau理论往往失效,所以在研究混凝土损伤相变过程中必须考虑涨落力,即广义Ginzburg-Landau理论。本文就是基于这个理论,利用协同学相变类比的思想,展开对混凝土损伤相变的研究探讨。求解出了混凝土损伤的本构方程及其含时线性解和非线性解,以及符合MarKov过程的相关函数,根据求得的相关函数分析了混凝土损伤相变的过程。而后借助于大型数值模拟RFPA,通过模拟混凝土损伤过程的声发射现象来研究损伤相变过程,验证了结论的正确性。
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