[论文解读] Interdependent evolution of robustness, force transmission and damage in a heterogeneous quasi-brittle granular material: from suppressed to cascading failure

Antoinette Tordesillas, Sanath Kahagalage+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2018

Rock Mechanics and Modeling参考文献 40被引用 3

一句话总结

本研究提出了一种数据驱动的多尺度框架，用于模拟异质准脆性颗粒材料中鲁棒性、力传递与损伤之间相互依赖的演化过程。通过分析离散元模拟数据，识别出两种关键的力传递模式——优化流路径与力瓶颈，这些模式可预测损伤传播与宏观裂纹的形成，揭示了力瓶颈之间协同作用的机制：该机制虽延迟了失效，但最终导致级联倒塌。

ABSTRACT

A heterogeneous quasi-brittle granular material can withstand certain levels of internal damage before global failure. This robustness depends not just on the bond strengths but also on the topology and redundancy of the bonded contact network, through which forces and damage propagate. Despite extensive studies on quasi-brittle failure, there still lacks a unified framework that can quantify the interdependent evolution of robustness, damage and force transmission. Here we develop a framework to do so. It is data-driven, multiscale and relies solely on the contact strengths and topology of the contact network for material properties. Using data derived from discrete element simulations of concrete specimens under uniaxial tension, we uncover evidence of an optimized force transmission, characterized by two novel transmission patterns that predict and explain damage propagation from the microstructural to the macroscopic level. The first comprises the optimized flow routes: shortest possible paths that can transmit the global transmission capacity. These paths reliably predict tensile force chains. The second are the force bottlenecks. These provide an early and accurate prediction of the ultimate pattern, location and interaction of macrocracks. A two-pronged cooperative mechanism among bottlenecks, enabled by redundancies in transmission pathways, underlies robustness in the pre-failure regime. Bottlenecks take turns in accommodating damage, while member contacts spread the forces to confine damage to low capacity contacts which leave behind a web of strong contacts to support and curtail the failure of tensile force chains in the region. This cooperative behavior, while serving to minimize the inevitable reduction in global transmission capacity, progressively heightens the interdependency among these contacts and elicits the opposite effect.

研究动机与目标

• 为解决目前缺乏统一框架来量化异质准脆性颗粒材料中鲁棒性、力传递与损伤之间相互依赖演化的问题。
• 理解微观结构拓扑与接触强度冗余如何促进失效前的鲁棒性并最终导致级联失效。
• 识别力传递中的预测性模式，以解释从抑制性失效到级联失效的转变机制。
• 开发一种基于网络的方法，将微观接触特性映射到宏观力学行为。
• 通过微观结构优化，实现对机械鲁棒性颗粒材料的理性设计。

提出的方法

• 该框架利用离散元方法（DEM）模拟单轴拉伸下的混凝土试样，生成关于接触强度与网络拓扑的微观尺度数据。
• 基于接触强度与连通性构建复杂流网络，将每个接触视为具有特定传输容量的连接。
• 优化流路径被识别为能够传输全局传输容量的最短路径，可预测拉伸力链的形成。
• 力瓶颈被检测为主导力传递的关键接触，其失效会触发宏观裂纹的初始形成。
• 模型通过冗余路径追踪力瓶颈接触之间的协同力重新分布，将损伤限制在低容量连接上。
• 鲁棒性通过系统在持续损伤下维持承载能力的能力来量化，该能力由网络冗余所中介。

实验结果

研究问题

• RQ1 在异质准脆性颗粒材料中，力传递路径在渐进损伤过程中如何演化？
• RQ2 网络拓扑与接触强度冗余在失效前鲁棒性形成中发挥何种作用？
• RQ3 力瓶颈能否作为宏观裂纹位置、形态与相互作用的早期预测指标？
• RQ4 力瓶颈接触之间的协同行为如何在延迟失效的同时增加相互依赖性？
• RQ5 在失效前阶段，何种机制导致从抑制性失效向级联失效的转变？

主要发现

• 识别出两种新型力传递模式——优化流路径与力瓶颈，其能可靠预测拉伸力链的形成与宏观裂纹的起始。
• 优化流路径对应于能够传输全局传输容量的最短可能路径，解释了力链的出现机制。
• 力瓶颈可对最终失效模式、位置与裂纹相互作用提供早期且准确的预测。
• 由冗余传输路径所支持的力瓶颈之间存在双重协同机制，通过将损伤分散至低容量成员接触，从而延迟失效。
• 这种协同作用将损伤限制在薄弱连接上，同时保留了支撑力链的强连接网络，从而增强失效前的鲁棒性。
• 尽管如此，主导力瓶颈接触之间逐步增强的相互依赖性最终导致临界点，使得微小的力增加即可触发级联失效序列。