Coupling effects of heterogeneity and stress fluctuation on rupture

The coupling of mesoscopic strength distribution and stress fluctuation on damage evolution and rupture are examined. The numerical simulations show that there is only weak stress fluctuation at the initial damage stage when the mean field approximation is in effect. As the damage fraction becomes larger than the threshold value, the fluctuation is amplified significantly, and damage localization appears. The coupling between stress fluctuation, disordered heterogeneity and the damage localization may play an essential role in catastrophic rupture. (C) 2003 Elsevier Ltd. All rights reserved.

A constitutive model for cavitation and cavity growth in rubber-like materials under arbitrary tri-axial loading

In this paper, we attempted to construct a constitutive model to deal with the phenomenon of cavitation and cavity growth in a rubber-like material subjected to an arbitrary tri-axial loading. To this end, we considered a spherical elementary representative volume in a general Rivlin's incompressible material containing a central spherical cavity. The kinematics proposed by [Hou, H.S., Abeyaratne, R., 1992. Cavitation in elastic and elastic-plastic solids. J. Mech. Phys. Solids 40, 571-722] was adopted in order to construct an approximate but optimal field. In order to establish a suitable constitutive law for this class of materials, we utilized the homogenisation technique that permits us to calculate the average strain energy density of the volume. The cavity growth was considered through a physically realistic failure criterion. Combination of the constitutive law and the failure criterion enables us to describe correctly the global behaviour and the damage evolution of the material under tri-axial loading. It was shown that the present models can efficiently reproduce different stress states, varying from uniaxial to tri-axial tensions, observed in experimentations. Comparison between predicted results and experimental data proves that the proposed model is accurate and physically reasonable. Another advantage is that the proposed model does not need special identification work, the initial Rivlin's law for the corresponding incompressible material is sufficient to form the new law for the compressible material resulted from cavitation procedure. (C) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Effects of Microstructural Heterogeneity on The Spallation Behavior of Materials

It is of utmost importance to understand the spallation behaviour of heterogeneous materials. In this paper, a driven nonlinear threshold model with stress fluctuation is presented to study the effects of microstructural heterogeneity on continuum damage evolution. The spallation behavior of heterogeneity material is analyzed with this model. The heterogeniety of mesoscopic units is characterized in terms of Weibull modulus m of strength distibution and stress fluctuation parameter k. At high stress, the maximum damage increases with m; while at low stress, the maximum damage decreases. In addition, for low stress, severe stress fluctuation causes higher damage; while for high stress, causes lower damage.

The Geo-DSCM System and Its Application to the Deformation Measurement of Rock Materials

Digital Speckle Correlation Method (DSCM) is a useful tool for whole field deformation measurement, and has been applied to analyze the deformation field of rock materials in recent years. In this paper, a Geo-DSCM system is designed and used to analyse the more complicated problems of rock mechanics, such as damage evolution and failure procedure. A weighted correlation equation is proposed to improve the accuracy of displacement measurement on a heterogeneous deformation field. In addition, a data acquisition system is described that can synchronize with the test machine and can capture speckle image at various speeds during experiment. For verification of the Geo-DSCM system, the failure procedure of a borehole rock structure is inspected and the evolution of the deformation localization is analysed. It is shown that the deformation localization generally initializes at the vulnerable area of the rock structure but may develop in a very complicated way.

EQUIVALENT MODEL OF EXPANSION OF CEMENT MORTAR UNDER SULPHATE EROSION

The expansion property of cement mortar under the attack of sulfate ions is studied by experimental and theoretical methods. First, cement mortars are fabricated with the ratio of water to cement of 0.4, 0.6, and 0.8. Secondly, the expansion of specimen immerged in sulphate solution is measured at different times. Thirdly, a theoretical model of expansion of cement mortar under sulphate erosion is suggested by virtue of represent volume element method. In this model, the damage evolution due to the interaction between delayed ettringite and cement mortar is taken into account. Finally, the numerical calculation is performed. The numerical and experimental results indicate that the model perfectly describes the expansion of the cement mortar.

Failure process analysis of cement under explosive loading with a generalized driven nonlinear threshold model

The microstructural heterogeneity and stress fluctuation play important roles in the failure process of brittle materials. In this paper, a generalized driven nonlinear threshold model with stress fluctuation is presented to study the effects of microstructural heterogeneity on continuum damage evolution. As an illustration, the failure process of cement material under explosive loading is analyzed using the model. The result agrees well with the experimental one, which proves the efficiency of the model.

非均质材料损伤破坏的数值模拟软件开发及强韧化机理研究

本文针对平面链网模型与空间链网模型，发展了模拟非均质材料的数值软件，旨在分析材料的损伤破坏特征，寻找材料细观结构同宏观力学行为之间的相互联系，探讨材料强韧化机理以及评估材料的力学性能。采用可视化技术设计的具有交互式功能的图象用户界面，能根据具体材料对象构造特定材料模型来分析其力学行为与服役能力。初步结果表明，无论是材料弹性阶段的性质还是损伤演化阶段材料中裂纹的萌生、扩展、汇集和材料的最终失效等现象都与已有的理论结果及试验结果符合得很好。另外，本文还对材料的强韧化机理作了探索。

微裂纹细观损伤理论

材料的宏细观破坏理论是当前固体力学和材料科学研究的一个重要课题。本文在对连续损伤理论和细观损伤理论进行评述的基础上，着重研究了脆性材料中微裂纹细观损伤问题。本文建立了一套完整的细观损伤理论来分析二维多裂纹体问题。该理论的基本方法是基本解叠加法，此方法直接考虑了微裂纹之间的相互作用以及有限边界的影响。通过叠加原理，使在裂纹面和外边界满足边界条件，用边界配置法化控制方程组为线性方程组，进行数值求解。本文以裂纹密度为参量，针对微裂纹随机分布和平行分布两种情况，计算了无限大体中代表性体元（VRVE）和多裂纹有限体的有效弹性模量。数值计算结果表明，本文所用方法具有统一与直能的优点，采用此法所得模量与试验结果吻合，在处理多裂纹体问题时计算效率高、精度好，对求解多裂纹问题非常有效。此外，通过建立微裂纹晶内扩展准则和穿晶扩展准则，分析了微裂纹扩展连接直至裂纹形成、扩展这一全过程的细观力学行为，对微裂纹的损伤演化过程进行了直接模拟，计算了含微裂纹矩形板的宏观应国变关系曲线。本文进一步提出了三维微裂纹相互作用的数学分析方法 — 扁球坐标和位移函数法，并采用边界配置法或裂纹面面力平均化方法进行求解。数值结果表明，扁球坐标和位移函数法分析三维微裂纹的相互作用问题是有效可行的。最后，本文提出了埋入基体的镶嵌体胞模型，建立了计算非均质体有效弹性模量的解析表达式。该式从理论上讲是严格的，且具有形式简单、内涵丰富及有效弹性模量能显式表达等优点。针对球体含球形夹杂、裂纹及旋转扁球体含球形夹杂、裂纹等不同体胞结构计算了其有效弹性模量，并与其他细观力学方法所得结果进行了比较。本文还将埋入基体的镶嵌体胞模型进行了发展，研究了二相颗粒复合材料的弹塑性本构关系（基体为弹性而颗粒为塑性材料），计算了球体含球形颗粒用旋转扁球体含扁球状颗粒两种体胞结构的宏观应力 - 应变曲线。

Behavior of crystalline silicon under huge electronic excitations: A transient thermal spike description

Recent experimental works devoted to the phenomena of mixing observed at metallic multilayers Ni/Si irradiated by swift heavy ions irradiations make it necessary to revisit the insensibility of crystalline Si under huge electronic excitations. Knowing that Ni is an insensitive material, such observed mixing would exist only if Si is a sensitive material. In order to extend the study of swift heavy ion effects to semiconductor materials, the experimental results obtained in bulk silicon have been analyzed within the framework of the inelastic thermal spike model. Provided the quenching of a boiling ( or vapor) phase is taken as the criterion of amorphization, the calculations with an electron-phonon coupling constant g(300 K) = 1.8 x 10(12) W/cm(3)/K and an electronic diffusivity D-e(300 K) = 80 cm(2)/s nicely reproduce the size of observed amorphous tracks as well as the electronic energy loss threshold value for their creation, assuming that they result from the quenching of the appearance of a boiling phase along the ion path. Using these parameters for Si in the case of a Ni/Si multilayer, the mixing observed experimentally can be well simulated by the inelastic thermal spike model extended to multilayers, assuming that this occurs in the molten phase created at the Ni interface by energy transfer from Si. (C) 2009 Elsevier B. V. All rights reserved.

铝镁尖晶石中He离子注入引起损伤的退火行为研究

利用卢瑟福沟道背散射技术结合表面的原子力显微分析，对注He的铝镁尖晶石晶体的晶格损伤及表面形变随退火温度变化的关系进行了研究.结果表明，不同注入剂量的样品中晶格损伤和表面形变表现出显著不同的退火行为.分析认为造成损伤演化的这种差异与注入的He原子在晶体中不同的聚集状态有关.

Explanation for Micromorphologies Around Broken Fibers in Fiber-Reinforced Composites

Experimental observations on micromorphologies around broken fibers in glass-fiber-reinforced epoxy matrix composites reveal different kinds of highly oriented patches at the circumambience of broken fibers, whereas the bulk of the matrix has been observed to be largely isotropic. These patches are interpreted to correlated areas where the stress gradients of the matrix are formed after fiber breaking, but the underlying cause for the orientation is still unknown. The authors have modified an embedded cell model to explain the experimental phenomena. The finite element simulation indicates that the surfaces around broken fibers display a change from an extension micromorphology to a mixed tension and shear micromorphology with the increase of applied strain.

A pseudo-transient solution strategy for the analysis of delamination by means of interface elements

Recent efforts in the finite element modelling of delamination have concentrated on the development of cohesive interface elements. These are characterised by a bilinear constitutive law, where there is an initial high positive stiffness until a threshold stress level is reached, followed by a negative tangent stiffness representing softening (or damage evolution). Complete decohesion occurs when the amount of work done per unit area of crack surface is equal to a critical strain energy release rate. It is difficult to achieve a stable, oscillation-free solution beyond the onset of damage, using standard implicit quasi-static methods, unless a very refined mesh is used. In the present paper, a new solution strategy is proposed based on a pseudo-transient formulation and demonstrated through the modelling of a double cantilever beam undergoing Mode I delamination. A detailed analysis into the sensitivity of the user-defined parameters is also presented. Comparisons with other published solutions using a quasi-static formulation show that the pseudo-transient formulation gives improved accuracy and oscillation-free results with coarser meshes

Biaxial seismic behaviour of reinforced concrete columns

A análise dos efeitos dos sismos mostra que a investigação em engenharia sísmica deve dar especial atenção à avaliação da vulnerabilidade das construções existentes, frequentemente desprovidas de adequada resistência sísmica tal como acontece em edifícios de betão armado (BA) de muitas cidades em países do sul da Europa, entre os quais Portugal. Sendo os pilares elementos estruturais fundamentais na resistência sísmica dos edifícios, deve ser dada especial atenção à sua resposta sob ações cíclicas. Acresce que o sismo é um tipo de ação cujos efeitos nos edifícios exige a consideração de duas componentes horizontais, o que tem exigências mais severas nos pilares comparativamente à ação unidirecional. Assim, esta tese centra-se na avaliação da resposta estrutural de pilares de betão armado sujeitos a ações cíclicas horizontais biaxiais, em três linhas principais. Em primeiro lugar desenvolveu-se uma campanha de ensaios para o estudo do comportamento cíclico uniaxial e biaxial de pilares de betão armado com esforço axial constante. Para tal foram construídas quatro séries de pilares retangulares de betão armado (24 no total) com diferentes características geométricas e quantidades de armadura longitudinal, tendo os pilares sido ensaiados para diferentes histórias de carga. Os resultados experimentais obtidos são analisados e discutidos dando particular atenção à evolução do dano, à degradação de rigidez e resistência com o aumento das exigências de deformação, à energia dissipada, ao amortecimento viscoso equivalente; por fim é proposto um índice de dano para pilares solicitados biaxialmente. De seguida foram aplicadas diferentes estratégias de modelação não-linear para a representação do comportamento biaxial dos pilares ensaiados, considerando não-linearidade distribuída ao longo dos elementos ou concentrada nas extremidades dos mesmos. Os resultados obtidos com as várias estratégias de modelação demonstraram representar adequadamente a resposta em termos das curvas envolventes força-deslocamento, mas foram encontradas algumas dificuldades na representação da degradação de resistência e na evolução da energia dissipada. Por fim, é proposto um modelo global para a representação do comportamento não-linear em flexão de elementos de betão armado sujeitos a ações biaxiais cíclicas. Este modelo tem por base um modelo uniaxial conhecido, combinado com uma função de interação desenvolvida com base no modelo de Bouc- Wen. Esta função de interação foi calibrada com recurso a técnicas de otimização e usando resultados de uma série de análises numéricas com um modelo refinado. É ainda demonstrada a capacidade do modelo simplificado em reproduzir os resultados experimentais de ensaios biaxiais de pilares.

Characterisation of the cyclic behaviour of reinforced concrete elements with plain bars

Sismos recentes comprovam a elevada vulnerabilidade dos edifícios existentes de betão armado. A resposta das estruturas aos sismos é fortemente condicionada pelas características da aderência aço-betão, que exibe degradação das propriedades iniciais quando sujeitas a carregamentos cíclicos e alternados. Este fenómeno é ainda mais gravoso para elementos com armadura lisa, predominantes na maioria das estruturas construídas até à década de 70 nos países do sul da Europa. A prática corrente de conceção, dimensionamento e pormenorização das estruturas antigas leva a que tenham características de comportamento e níveis de segurança associados não compatíveis com as exigências atuais. Os estudos realizados sobre o comportamento cíclico de elementos estruturais de betão armado com armadura lisa são ainda insuficientes para a completa caracterização deste tipo de elementos. Esta tese visou a caraterização da relação tensão de aderência versus escorregamento para elementos estruturais com armadura lisa e o estudo da resposta cíclica de pilares e nós viga-pilar de betão armado com armadura lisa. Foram realizados dez séries de ensaios de arrancamento (nove monotónicos e um cíclico) em provetes com varões lisos. Os resultados destes ensaios permitiram propor novas expressões empíricas para a estimativa dos parâmetros usados num modelo disponível na literatura para representação da relação tensão de aderência versus escorregamento. É ainda proposto um novo modelo monotónico para a relação tensão de aderência versus escorregamento que representa melhor a resposta após a resistência máxima de aderência. Uma campanha de ensaios unidirecionais em pilares e nós viga-pilar foi também realizada com o objetivo principal de caracterizar o comportamento cíclico deste tipo de elementos. No total foram realizados oito ensaios em pilares, sete ensaios em nós viga-pilar interiores e seis ensaios em nós viga-pilar exteriores representativos de estruturas antigas de betão armado com armadura lisa. Os resultados experimentais permitiram avaliar a influência do escorregamento e estudar o mecanismo de corte em nós e a evolução dos danos para elementos com armadura lisa. Com base nos resultados experimentais foi proposta uma adaptação na expressão do Eurocódigo 8-3 para o cálculo da capacidade última de rotação de elementos com armadura lisa. Foi também desenvolvido um estudo paramétrico, com diferentes estratégias de modelação não linear, para a simulação da resposta de pilares considerando o escorregamento da armadura lisa. Por último, foi proposto um novo modelo simplificado trilinear para o aço que contempla o efeito do escorregamento da armadura lisa.

Utilização de técnicas de análise fotogramétricas em quebra-mares de taludes

Dissertação de Natureza Científica elaborada no Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC) para obtenção do grau de mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Hidráulica no âmbito do protocolo de cooperação entre o ISEL e o LNEC