离散单元法模拟混凝土及岩石拉剪混合断裂研究

"这篇论文是2007年由侯艳丽、周元德和张楚汉共同发表在《计算力学学报》上的研究成果，属于自然科学领域，主要探讨了使用离散单元法研究混凝土和岩石等准脆性材料的拉剪混合型断裂行为。该研究得到了国家“九七三”重点基础研究项目的资助。" 正文: 拉剪混合型断裂是指材料在受到拉伸和剪切复合应力作用下发生的断裂现象，常见于混凝土和岩石这类准脆性材料。在工程领域，如地质结构、土木工程和能源开采中，理解这种断裂机理至关重要，因为它直接影响结构的安全性和稳定性。 论文采用了变形体离散单元法（DEM），这是一种非连续介质力学的数值方法，可以更好地模拟材料从连续状态转变为非连续状态的过程。DEM将材料看作由许多离散单元组成，通过模拟单元之间的相互作用来研究整体的力学行为。在DEM框架下，研究者采用了两种弥散裂缝模型：固定裂缝模型和旋转裂缝模型，以分析混凝土和岩石在拉剪荷载下的开裂行为。 固定裂缝模型假设裂缝在形成后保持其初始形状，而旋转裂缝模型则允许裂缝随材料变形而改变方向。通过对比Willam数值试验，研究发现旋转裂缝模型更能准确地反映拉剪混合型断裂的实际过程，尤其是在模拟复杂应力状态下的裂缝扩展。 此外，通过单边切口非对称三点弯梁试验的数值分析，论文揭示了在混合载荷条件下，裂缝的启动通常表现为拉剪I/II型混合模式，即裂缝在拉伸和剪切应力的共同作用下产生。随着荷载的继续作用，裂缝倾向于以I型（沿拉伸方向扩展）为主的方式进行稳定扩展。这一发现对于预测和防止结构破坏具有实际应用价值。 这篇论文深入研究了拉剪混合型断裂的物理过程，并提出了适用的数值模拟方法。它不仅有助于改进现有材料断裂模型，还为工程设计提供了理论依据，以应对因材料拉剪混合型断裂引发的安全隐患。此外，通过对连续介质到非连续介质转化的探讨，该研究也为未来在更大尺度和更复杂条件下的断裂模拟奠定了基础。