骨材料的多尺度损伤力学理论模型研究

作为人体重要的器官的骨组织是一种结构极为复杂的生物复合材料，其损伤力学行为研究本身具有相当大的难度，而骨组织的损伤演化对人体健康也具有重大意义。骨的损伤具有多尺度、各项异性及不同载荷导致的损伤模式不同等极为复杂的特性，其损伤力学行为极为复杂。如何用理论定量描述、数值模拟、实验监测和评价骨的损伤就成为一个迫切的问题。本项目针对目前骨损伤理论模型简单无法反映骨各向异性多尺度损伤的问题，引入微裂纹扩展区细观损伤力学理论，基于多尺度的实验观察，在骨单元和骨内线裂纹两个尺度分别建立各自的损伤本构和演化方程；利用数字散斑相关方法对骨的两尺度损伤力学行为进行观测，通过实验识别不同尺度的损伤模型参数；选取合适的损伤变量，将两个尺度的损伤本构耦合组成跨尺度的骨损伤力学本构模型；最后基于新建立的损伤力学模型，考虑骨的重建修复作用，模拟一些典型的与骨损伤有关的临床案例，验证模型的有效性和可靠性。本项目发展了一种更为精确的、能反映骨多级结构的多尺度损伤理论模型，根据骨的结构特点，将该问题解耦成骨单元和线裂纹两个尺度的损伤问题，通过数字散斑实验一方面观测骨的多尺度损伤演化过程，另一方面对损伤进行识别，确定模型参数，最后基于新得到的模型，结合多场耦合下的骨重建修复模型，更好地对骨的损伤力学行为进行模拟和预测。从技术层面看，最新的细观损伤力学方法、数字散斑相关方法在岩石损伤中的应用以及与之对应的实验识别方法等的不断发展和成熟为本项目的顺利实施提供了良好保证。而从具体的骨材料结构特点出发，结合现代实验技术手段验证与补充的研究方法，也可以推动细观损伤力学理论与方法在骨的损伤领域得到更好地应用。本项目从具体的骨材料结构特点出发，结合现代实验技术手段验证与补充的研究方法，可以推动细观损伤力学理论与方法在骨的损伤领域得到更好地应用，使对骨损伤的定量理论描述更加精确。 2100433B

作为人体重要的器官的骨组织是一种结构极为复杂的生物复合材料，其损伤力学行为研究本身具有相当大的难度，而骨组织的损伤演化对人体健康也具有重大意义。本项目针对目前骨损伤理论模型简单无法反映骨各向异性多尺度损伤的问题，引入微裂纹扩展区细观损伤力学理论，基于多尺度的实验观察，在骨单元和骨内线裂纹两个尺度分别建立各自的损伤本构和演化方程；利用数字散斑相关方法对骨的两尺度损伤力学行为进行观测，通过实验识别不同尺度的损伤模型参数；选取合适的损伤变量，将两个尺度的损伤本构耦合组成跨尺度的骨损伤力学本构模型；最后基于新建立的损伤力学模型，考虑骨的重建修复作用，模拟一些典型的与骨损伤有关的临床案例，验证模型的有效性和可靠性。本项目从具体的骨材料结构特点出发，结合现代实验技术手段验证与补充的研究方法，可以推动细观损伤力学理论与方法在骨的损伤领域得到更好地应用，使对骨损伤的定量理论描述更加精确。

多尺度模拟是近年来岩土材料研究领域的热点之一。青年基金项目“多尺度损伤本构模型及其在岩土力学中的应用”是本人在岩土材料多尺度本构理论研究方面的拓展和深化。研究内容主要包括裂隙岩石多尺度非局部化损伤本构理论、基于实验数据的数值模拟以及相关的多尺度数值方法等三个方面。通过三年的努力，项目研究圆满完成了各项任务，提出了一个仅包含五个参数的各向异性单边损伤摩擦耦合模型，开展了水力耦合和时效变形本构模型研究，研制了相关的数值程序，基于脆性岩石材料完成了模型的数值验证；开发了基于一种弹性问题Lippmann-Schwinger方程的增量迭代无网格算法，并利用图像分析技术获取的混凝土细观结构进行了数值模型；在基于细观力学的强度准则及参数跨尺度关联、强耦合非线性模型的解析解等方面取得了超出预期的研究成果。该项目提供了一个损伤和破坏机理清晰、参数少且物理意义明确的统一的多尺度岩石力学本构模型，研究表明基于单边损伤和摩擦耦合分析能够解释和模拟准脆性岩石类材料绝大部分的物理现象和力学行为；提出的数值算法为各向异性强耦合本构模型用于大型岩体结构的分析提供技术支撑。 2100433B

多尺度方法致力于从材料的细观结构及其变化等信息来描述和模拟其宏观的物理力学行为。例如基于颗粒间的受力网络、接触和滑移可以建立颗粒材料宏观的应力-应变关系。对于裂隙岩体，基于均质化理论的细观损伤本构模型能够有效描述裂纹的发展、空间分布、张开或闭合状态以及裂隙面的摩擦等复杂现象，因而更适于模拟材料的各向异性和非线性力学行为。多尺度方法已被认为是研究材料本构的有效工具。本项目拟在连续损伤本构理论方面开展探索性研究，力求解决以下三个理论应用问题：1) 建立现象学损伤模型和细观损伤模型之间的内在联系，结合两类损伤模型的优点发展新的损伤模型，基于均质化方法，实现损伤摩擦耦合模型向水-热-力学多场耦合模型的扩展；2) 探索损伤非局部化的新方法，消除结构计算中由于应变软化引起的网格依赖现象；3) 发展一种多尺度数值方法，模拟从材料损伤到结构破坏的非线性过程。

复合材料多尺度渐进失效理论方法研究是重要基础研究方向。然而，多尺度渐进失效分析常常遇到应变局部化问题，导致微观胞元模型失去存在的合理性和客观性，多尺度分析也失去了意义。至今，国内外在考虑局部化问题上的复合材料多尺度力学性能研究很少。在国家自然科学基金资助下，项目负责人系统地开展了复合材料非局部多尺度渐进失效理论研究，主要创新工作体现在6个方面：（1）在国际上原创性地提出一个预测复合材料层内损伤和层间分层的统一非局部理论模型和有限元数值算法，通过引入并实现非局部积分理论解决了复合材料中应变局部化带来的数值问题，（2）在国际上首次将零厚度3D内聚力数值技术应用于压缩载荷作用下的复合材料分层失效研究中，探讨了不同内聚力形状、内聚力强度对后屈曲与分层相互作用机理的影响规律，（3）在国际上原创性地提出了一个内聚力/摩擦接触耦合的本构模型，应用于剪切载荷作用下的复合材料分层失效研究，（4）提出了一个考虑含热残余应力的复合材料微观渐进失效有限元模型以及考虑应变局部化问题的Mori-Tanaka宏微观多尺度均匀化方法，（5）在国际上首次开展了湿热环境下复合材料层合板分层失效声发射测试技术研究，（6）发展了低速冲击载荷作用下弹性和弹塑性复合材料层合板动态层内渐进损伤和层间分层的理论模型和有限元数值技术。负责人以第一或通讯作者共发表SCI论文13篇（JCR工程类1区论文2篇、2区论文5篇）、EI论文4篇，申请登记软件著作权3项。研究成果对于解决多尺度分析中的应变局部化问题，推动和完善复合材料均匀化理论，揭示复合材料失效机理以及刚度、强度性能退化机理，提升复合材料领域的基础研究水平与服役性能预测能力、具有重要理论和应用价值。 2100433B