預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)多尺度多因素耦合的耐久性研究

耐久性是混凝土材料的重要性能之一，它涉及混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)筑物的服役壽命和使用安全。但耐久性問題涉及面廣、實(shí)際服役環(huán)境復(fù)雜、多因素耦合試驗(yàn)缺乏、現(xiàn)有理論不夠完善，故本項(xiàng)目針對(duì)四個(gè)方面開展了多尺度、多因素耐久性問題的理論分析、試驗(yàn)研究及精細(xì)化數(shù)值模擬。 在混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)凍融機(jī)理及耐久性評(píng)估中，材料試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著細(xì)觀凍融損傷的增長(zhǎng)，混凝土的宏觀抗壓強(qiáng)度呈三段式下降；在預(yù)應(yīng)力構(gòu)件試驗(yàn)中，建議寒冷地區(qū)軸心預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的凍融預(yù)應(yīng)力損失的取值不小于5%；在有限元模擬分析研究中，開發(fā)了一套混凝土細(xì)、宏觀凍融損傷的模擬程序，給出了凍融壽命預(yù)測(cè)的建議方法 。 在對(duì)混凝土碳化過程的精細(xì)化數(shù)值模擬研究中，從化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度出發(fā)，建立了偏微分方程組，并基于骨料級(jí)配理論和孔隙概率密度函數(shù)，用ABAQUS模擬了二氧化碳在混凝土中的擴(kuò)散。 在對(duì)普通混凝土結(jié)構(gòu)受氯鹽侵蝕的耐久性試驗(yàn)研究中，開展模擬浸沒區(qū)、浪濺區(qū)以及大氣區(qū) 的復(fù)合氯鹽侵蝕試驗(yàn)，研究不同工況、不同氯鹽侵蝕對(duì)混凝土耐久性的影響。 在對(duì)氯鹽侵蝕自密實(shí)混凝土過程的精細(xì)化數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究中，首先，分別進(jìn)行了氯鹽溶液浸泡、氯鹽鹽霧侵蝕和RCM法測(cè)氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)。然后對(duì)不同齡期的自密實(shí)混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。最后，建立偏微分方程組，并通過ABAQUS二次開發(fā)和MATLAB計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了氯鹽侵蝕自密實(shí)混凝土的多尺度精細(xì)化數(shù)值化模型。 2100433B

在碳化和氯離子等因素耦合作用下，預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)功能會(huì)逐漸衰退，最終耐久性失效。傳統(tǒng)研究方法通常將微觀尺度的材料耐久性和宏觀尺度的結(jié)構(gòu)耐久性獨(dú)立進(jìn)行研究，未開發(fā)出連接微觀到宏觀尺度的一體化預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)耐久性預(yù)測(cè)模型；且傳統(tǒng)多因素耦合研究多是根據(jù)Fick定律，通過回歸試驗(yàn)數(shù)據(jù)而建立的，既忽略CO2和氯鹽在砼孔隙水溶液中的溶解過程，也忽略了試驗(yàn)箱中侵蝕物質(zhì)高濃度帶來的體系非理想性，因而不易準(zhǔn)確考察砼碳化和氯離子侵蝕耦合作用機(jī)理及實(shí)現(xiàn)耐久性的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。本項(xiàng)目研究擬建造兩座橋梁：第一座橋梁是化工熱力學(xué)模型，通過它可以將微觀尺度多侵蝕因素作用關(guān)聯(lián)起來；第二座橋梁是擬建立的微觀尺度耐久性指標(biāo)（例如熱力學(xué)模型預(yù)測(cè)的碳化深度、碳化程度、氯離子濃度等）與宏觀結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度、應(yīng)變之間的關(guān)系，通過它可以實(shí)現(xiàn)微觀尺度研究結(jié)果直接用于宏觀結(jié)構(gòu)分析。從而，最終實(shí)現(xiàn)構(gòu)建多尺度多因素耦合的預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)耐久性預(yù)測(cè)模型。

本書針對(duì)復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)問題、熱-力耦合和力-電耦合問題給出了多尺度計(jì)算方法及其理論分析.本書共分為八章，第一章給出了復(fù)合材料的多尺度分析方法；第二章介紹了小周期參數(shù)的橢圓形方程的均勻化理論；第三章介紹了兩種多尺度算法；第四、五章給出了小周期復(fù)合材料熱傳導(dǎo)問題的二階雙尺度展開式及其收斂性分析；第六至八章分別研究了復(fù)合材料板的彎曲、熱-力耦合和力-電耦合問題的二階多尺計(jì)算方法.讀者需具備微分方程、有限元方法和程序設(shè)計(jì)方面的初步知識(shí)即可學(xué)習(xí)本書。

本書可供統(tǒng)計(jì)學(xué)、信息與計(jì)算科學(xué)、數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)的本科生，應(yīng)用數(shù)學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、運(yùn)籌學(xué)與控制論和統(tǒng)計(jì)學(xué)專業(yè)的研究生，理工科相關(guān)專業(yè)的研究生，對(duì)微分方程數(shù)值解感興趣的教師及科技工作者閱讀。

本項(xiàng)目對(duì)流動(dòng)、傳熱與傳質(zhì)過程中的空間多尺度現(xiàn)象，以能源與環(huán)境領(lǐng)域中的幾個(gè)典型多尺度工程問題為具體研究對(duì)象，發(fā)展高效的多尺度數(shù)值求解方式，深入研究不同尺度上尤其是介觀和微觀層次上的流動(dòng)、傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象，揭示不同尺度上流動(dòng)、傳熱與傳質(zhì)過程之間的耦合機(jī)制。在數(shù)值模擬方面：構(gòu)建MD、DSMC與其它數(shù)值方法耦合的重構(gòu)算子，發(fā)展分區(qū)計(jì)算、界面耦合多尺度數(shù)值求解方法；完善分層計(jì)算、逐級(jí)傳遞多尺度求解方法；發(fā)展湍流流動(dòng)中壁面粘性影響區(qū)和外層之間高效，準(zhǔn)確的信息交換方法。在實(shí)驗(yàn)方面：基于質(zhì)子交換膜燃料電池、太陽能空氣吸熱器及城市小區(qū)空氣品質(zhì)及污染物散發(fā)實(shí)驗(yàn)，發(fā)展相應(yīng)的多尺度問題的實(shí)驗(yàn)方法，獲得一批可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為考核與完善所建立的多尺度數(shù)值方法提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。通過本項(xiàng)目的執(zhí)行不僅可以大力提高我國在能源與環(huán)境工程領(lǐng)域中多尺度問題數(shù)值模擬研究的國際地位，而且對(duì)相關(guān)的工程問題也有一定的指導(dǎo)與參考意義。

隨著汽車工業(yè)在國內(nèi)外的快速發(fā)展，越來越多的消費(fèi)者對(duì)汽車的耐久性和耐蝕性要求不斷提高。鍍鋅板因?yàn)槠浞浅Ａ己玫某尚涡阅?、焊接性能、涂裝性能和耐蝕性能而廣泛應(yīng)用到車身制造上。 板料成形過程中必然伴隨著工件和模具間的劇烈摩擦，摩擦非材料的固有特性，與表面形貌、接觸方式、潤滑方式、沖壓工藝條件等多種復(fù)雜因素有關(guān)，是一個(gè)典型的多因素、跨尺度、非線性復(fù)雜問題。無論是實(shí)驗(yàn)研究還是理論分析，研究難度大，研究結(jié)果的一致性差甚至有完全相反的結(jié)論。 鍍鋅板可以分為鍍層、界面和基體三個(gè)部分，組織結(jié)構(gòu)比普通鋼板復(fù)雜，其摩擦特性和成形性不同于一般鋼板。針對(duì)汽車用高強(qiáng)鍍鋅板拉延摩擦的復(fù)雜多變性，基于微觀摩擦學(xué)、潤滑力學(xué)、塑性力學(xué)和材料學(xué)，考慮高強(qiáng)鍍鋅板的微觀結(jié)構(gòu)、摩擦熱效應(yīng)、變形不均勻性、表界面特性以及板材與模具的耦合作用，采用平板滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)、杯突實(shí)驗(yàn)、摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用SEM、XRD、三維形貌儀等現(xiàn)代分析測(cè)試手段，研究高強(qiáng)鍍鋅板的摩擦學(xué)特性、拉延成形性及其內(nèi)在聯(lián)系，分析了鋅層與摩擦的相互作用機(jī)制，探明了鋅層及界面失效機(jī)制及摩擦力形成的微觀機(jī)制。鍍鋅板沖壓成形時(shí)，鋅層中會(huì)出現(xiàn)裂紋、斷裂、粉化與剝落等失效現(xiàn)象，塑性變形的誘發(fā)作用和接觸摩擦的雙重影響導(dǎo)致鍍鋅板表面形貌在沖壓成形過程中隨著時(shí)空變化。采用統(tǒng)計(jì)的方法表征了沖杯實(shí)驗(yàn)過程不同變形區(qū)的形貌模型，基于分形理論，建立了考慮板料的力學(xué)性能、表面形貌和接觸壓力這三種因素的接觸模型和摩擦模型。在此基礎(chǔ)上，建立了高強(qiáng)鍍鋅板拉延成形極限圖，提出了摩擦副的耦合協(xié)同控制方法。采用SEM、EBSD、TEM、單向拉伸試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備和儀器，探討了合金元素和軋制技術(shù)參數(shù)對(duì)汽車用低碳鋼板的微觀組織和力學(xué)性能的影響，揭示了合金元素的作用機(jī)理和最優(yōu)的軋制技術(shù)參數(shù)范圍。 研究結(jié)果為高強(qiáng)鍍鋅板拉延成形工藝模具設(shè)計(jì)及精確仿真奠定基礎(chǔ)，同時(shí)為拉延件表面質(zhì)量和模具壽命的主動(dòng)控制提供技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鍍鋅板精密可控成形。