颗粒材料为高度非均质与非连续介质,包含大量离散颗粒与空隙,广泛存在于工程实际中,如土体、地质结构、水泥等。颗粒材料在介观尺度上具有离散特征,其力学行为呈现高度非线性与耗散性。对颗粒材料复杂力学行为的研究已吸引众多领域中研究工作者的关注。利用有限元等数值方法的连续体模型已广泛应用于求解诸多工程领域中提出的边初值问题,但它要求提供唯象的本构关系和材料破坏模型,以及相当数量缺乏物理含义甚至很难确定的材料参数。鉴于连续体模型途径的上述缺点,利用离散元法的离散颗粒模型已得到逐年增长的关注和迅速发展,也已被广泛地应用于模拟颗粒材料失效力学行为。但单独采用离散颗粒模型求解工程实际中颗粒材料结构的边初值问题,特别当考虑颗粒破碎导致离散颗粒模型中颗粒数的急剧增长,将可能面临因巨大计算工作量与存贮要求而导致的困难。发展结合在宏观尺度上采用连续体模型与在介观尺度上采用离散颗粒模型的计算多尺度方法,将可以充分利用连续体与离散颗粒模型的各自优点与避免各自缺点。计算多尺度方法可分成两类:分级与协同计算多尺度方法。颗粒材料中每个颗粒具有独立的平动与转动自由度,相邻接触颗粒间不仅传承接触力,同时还能传承接触力偶。由介-宏观尺度连接角度,在宏观尺度采用在每个局部材料点定义有独立旋转自由度和偶应力的等价Cosserat连续体模型是自然和合乎逻辑的选择。本文工作将在协同计算多尺度方法框架内:(1)发展模拟颗粒破碎的模型与数值方法以研究颗粒破碎对颗粒材料结构承载能力的影响;(2)提出了基于颗粒材料介观结构演变与力学响应的宏观连续体中损伤-愈合-塑性表征方法。本文工作的第一部分是发展可破碎离散元模型(CDEM)。对单个颗粒提出了两个由颗粒破碎准则与颗粒破碎模式组成的颗粒破碎模型。在所建议颗粒破碎准则中不仅考虑作用于颗粒表面接触点处的接触力,同时也计及作用于接触点处的接触力矩。导致颗粒破碎的应力量包含了作用于模拟为Cosserat连续体的破碎颗粒的平均Cauchy应力与平均偶应力。单个颗粒破碎由破碎准则控制。本文建议了两个颗粒破碎准则。第一个破碎准则基于Ben-Num和Einav提出的破碎准则,本文将其推广至Cosserat连续体。第二个破碎准则基于岩土弹塑性失效的Drucker-Prager模型以及修正的Cam-clay模型。在所建议的两个颗粒破碎准则中均区分单个颗粒是受到任意一组接触力与接触力矩作用还是受到各向同性或接近各项同性的接触力作用。颗粒破碎模式制定了满足颗粒破碎准则的颗粒在破碎后的碎片排布方案。母颗粒破碎后的碎片个数、大小与位置由母颗粒与其直接相邻颗粒的位置决定。该方案保证母颗粒破碎后的碎片质量守恒以及母颗粒破碎后的碎片间以及碎片与母颗粒直接相邻颗粒间不存在虚假的重叠。本文工作的第二部分是在两类协同计算多尺度方法,即连接尺度方法与计算均匀化方法中发展考虑离散颗粒破碎的可破碎离散元模型:(1)在连接尺度方法中,采用Cosserat连续体(粗尺度)模型和有限元法模拟颗粒材料结构全域(FEM域),在特别关注的局部区域(CDEM域)发展和采用了可破碎离散颗粒集合体(细尺度)模型和可破碎离散元法;(2)在宏观尺度采用梯度增强Cosserat连续体的协同二阶计算均匀化方法中,发展了可破碎离散颗粒集合体介观结构表征元模型在非均一宏观应变场作用下的求解过程与相应的由可破碎离散颗粒集合体表征元至宏观梯度增强Cosserat连续体的上传过程。本文工作的第三部分将致力于在协同二阶计算均匀化框架下发展基于颗粒材料介观结构与力学信息和多尺度模拟的宏观损伤-愈合-塑性的多尺度表征方法。在协同二阶计算均匀化框架下,表征元在由梯度Cosserat连续体Hill定理确定的满足Hill-Mandel宏-介观能量等价条件的非均一位移边界条件作用下得到DEM解。由表征元DEM解的体积平均可以确定和上传当前增量步宏观连续体中与表征元相关联局部点处率型应力-应变本构关系和总应力。然而,某些内状态变量、例如各向异性损伤因子张量、不能简单的直接由表征元解的体积平均和上传得到。本文在协同二阶计算均匀化框架内发展基于介观信息的表征方法。基于二阶计算均匀化模拟的宏观梯度Cosserat连续体损伤-愈合-塑性表征方法包含三部分。首先建立表征元离散颗粒集合体的增量非线性本构关系。然后,由表征元离散元解的体积平均导出基于介观信息的宏观梯度Cosserat连续体局部点的增量非线性本构关系。最终,建立等温条件下梯度Cosserat连续体损伤-愈合-塑性的热动力学框架以定义基于介观信息的各向异性损伤和愈合因子张量、结合了损伤和愈合效应的各向异性净损伤因子张量和塑性应变。进一步,为比较损伤、愈合和塑性各自对材料失效和结构破坏的效应,本文定义了作为标量内状态变量的损伤、塑性和总耗散能密度以及非耗散愈合能密度。应变局部化和软化问题例题的数值模拟结果显示了所建议颗粒破碎模型的有效性和颗粒破碎对材料失效与颗粒材料结构破坏的影响;表明了所提出颗粒材料耦合损伤-愈合-塑性的多尺度模拟和表征方法的有效性和可应用性。