混凝土细观力学仿真分析的块体元-有限元耦合方法

假定混凝土是由砂浆和骨料组成的两相非均质材料,采用块体单元法模拟骨料,有限单元法模拟砂浆,基于虚功原理,建立了混凝土细观力学仿真分析的块体元-有限元耦合方法.假定混凝土骨料为刚体,砂浆为理想弹塑性材料,采用FORTRAN语言,编制了块体元-有限元耦合分析程序.运用该耦合分析程序,对耦合面刚度敏感性进行分析,得到了合适的耦合面刚度取值量级,在此基础上,采用Drucker-Prager准则,仅考虑砂浆单元的屈服,分别研究了二维和三维混凝土试件在荷载作用下的屈服、破坏过程,计算结果符合一般规律,验证了所提方法的有效性和正确性.块体元-有限元耦合分析方法兼具块体元法和有限元法的优点,前处理简单,单元数目少,计算量小,并且充分考虑了砂浆和骨料的材料力学特性差异,可以进行含有多面体骨料的三维混凝土模型的数值模拟,较精确方便地计算混凝土在荷载作用下的应力、应变,模拟混凝土的屈服、破坏过程.     

细观单元等效化方法模拟混凝土细观破坏

从非连续介质力学角度出发,提出了1种能准确模拟混凝土断裂破坏过程的细观单元等效化方法,推导混凝土细观单元的等效力学行为并数值验证了其合理性。基于细观单元等效化模型,采用扩展有限元法对单轴拉伸条件下湿筛混凝土试件的裂纹扩展过程及宏观力学性能进行数值模拟,并与细观随机骨料模型结果进行对比。结果表明：与随机骨料模型相比,细观单元等效化模型大大减小了体系自由度,在较低计算量的情况下可以获得与之较吻合的裂纹扩展路径及宏观力学性能,充分展现了该力学模型的准确性和高效性。     

开孔空心球结构的准静态压缩力学行为

空心球材料具有超轻、高比强度、缓冲性能好等优点，在航空航天、汽车安全等领域具有诸多需求，其力学性能主要受微观结构的影响。利用实验和有限元数值模拟研究3D打印开孔空心球结构的准静态压缩力学行为，主要分析胞元个数、开孔孔径以及空心球排列方式对两种连接方式空心球结构力学性能的影响。研究结果证实，开孔空心球结构的准静态压溃过程主要分为弹性变形阶段、塑性大变形阶段以及密实化阶段；当试件中胞元个数达到3×3×3以上时，其力学性能基本与胞元个数无关；总体上，有连接颈结构的比模量和比强度高于无连接颈结构，而无连接颈结构的比吸能高于有连接颈结构；面心立方排列结构的压缩力学性能优越，其次是体心立方排列结构，简单立方排列结构力学性能最弱；简单立方和体心立方结构的比模量、比强度以及比吸能与孔径之间是线性关系，而对于面心立方结构是非线性关系。为3D打印空心球材料的设计与应用提供一定参考。     

斗栱梁单元模型数值分析——以山西应县木塔为例

将现代数值模拟技术运用于古建筑研究,构建合理的有限元模型并对斗栱的力学性能进行分析研究,是古建筑保护的一项基本工作。文章以山西应县木塔斗栱构件为实例,运用ANSYS有限元软件构建了能够真实反映斗栱构造特征及结构性能的梁单元有限元模型,对梁单元模型在竖向荷载及水平低周反复荷载作用下的实验过程进行模拟,对比分析了其力学性能、耗能及模拟分析效率。结果表明:梁单元模型可有效地表达斗栱的力学性能,模拟竖向力加载时相应的压缩变形量为11.60 mm,模拟水平低周反复荷载加载时,随着侧向位移的增加模型由弹性状态转变为弹塑性状态,随着竖向荷载的增加需要施加的水平推力增大,与实验结果吻合;梁单元模型可有效地表达斗栱的实际耗散特性,其耗能值与实验结果基本吻合;梁单元模型可提高分析效率,计算分析耗时由7 h减少为30 min。     

钢管混凝土组合T形短柱轴压力学性能研究

在总结分析各种异形钢管混凝土柱工程应用的基础上,提出矩形钢管混凝土组合焊接T形柱(Weld-ing RectanguJar Composite T-shaped Concrete-Filled Steel Tubular Column,简称WRC-T钢管混凝土柱).考虑约束效应系数、长径比、肢长腹比等参数的影响,设计制作20个WRC-T钢管混凝土短柱试件,通过短柱的轴心受压试验,考察试件的破坏形态,实测试件的荷载-变形曲线和极限承载力,分析各参数对此类短柱轴压力学性能的影响.应用大型有限元软件ABAQUS6.5进行数值模拟分析,将数值模拟结果与试验结果进行比较,两者符合较好.研究表明,WRC-T钢管混凝土短柱的两个组成部分能很好地协同工作,力学性能好,便于施工;利用有限元软件ABAQUS6.5中的C3D8R单元进行实体建模可以较好地模拟WRC-T钢管混凝土短柱的力学性能.     

3D打印路径对混凝土拱桥结构力学性能的影响

为了分析打印路径对3D打印混凝土拱桥力学性能的影响机制,采用CT技术对3D打印混凝土进行微观扫描分析,探讨打印路径对成型后结构孔隙空间分布的影响规律,得到层间、条间缺陷层的近似孔隙率.基于数值模拟分析,对比纵向打印、组合打印、横向打印以及浇筑对混凝土拱桥结构承载性能的影响规律. 结果表明：打印路径直接影响层间缺陷和条间缺陷的数量和分布,打印拱结构的承载能力与打印体的孔隙率线性相关. 条间缺陷对承载能力的影响明显大于层间. 纵向打印路径数值模拟与模型试验结果吻合良好,峰值荷载相对误差为8.0%,跨中位移相对误差为11.9%,破坏形态与失效位置一致. 对于拱桥结构,纵向打印的缺陷类型以层间为主,且缺陷层总面积最小,承载力性能最好.     

3D打印混凝土层条间界面抗拉性能与本构模型

通过直接拉伸试验,研究3D打印混凝土层、条间界面的抗拉强度与整体拉伸-变形曲线. 通过XCT扫描,根据孔隙率在基体与界面处的分布规律,确定层、条间界面的厚度和平均孔隙率. 根据打印混凝土基体与层、条界面的变形关系得到界面的拉伸-变形曲线. 基于混凝土的拉伸塑性损伤本构理论,建立3D打印混凝土层、条间界面的拉伸本构模型. 研究结果显示：打印混凝土层、条间的平均抗拉强度为1.636、1.514 MPa,分别占基体抗拉强度的85.8%、79.4%;层、条间界面抗拉强度和极限变形与界面处孔隙率存在明显的线性关系;层间界面厚度约为0.81 mm,条间界面厚度约为2.12 mm;所建立的本构模型与试验结果较吻合,能够准确反映拉伸荷载作用下界面的力学响应,可以为3D打印混凝土数值模拟提供可靠依据.     

Flac3D单元等效结点力的计算与应用研究

针对Flac3D无法直接输出单元等效结点力的不足,采用虚位移原理和虚功等效原则,在建立单元形函数和应变刚度矩阵的基础上,推导了Flac3D单元等效结点力的计算公式,编写了相应计算机程序,并通过单轴压缩模拟试验算例验证,得到了满意的结果.该方法能够为岩体开挖能量释放率计算和深部岩体岩爆分析提供有效途径.     

轴向冲击荷载作用下T形截面钢管混凝土短柱力学性能模拟

为研究T形截面钢管混凝土短柱在动力荷载作用下的力学性能,利用有限元软件ABAQUS对钢管混凝土短柱在冲击荷载作用下的力学性能进行数值模拟,并将数值模拟结果与试验结果进行对比,验证了数值模拟中建模、相关参数和单元选取的正确性。根据此数值模型对T形截面钢管混凝土短柱的力学性能进行模拟,绘制不同强度冲击荷载作用下T形截面钢管混凝土短柱的冲击力时程曲线、位移时程曲线。数值模拟结果表明,T形截面钢管混凝土短柱具有较好的抗冲击性能,最终破坏形态为管壁屈曲破坏。     

多层砌体填充墙框架结构的非线性有限元分析

采用ABAQUS软件中非线性分析常用实体单元C3D8R模拟混凝土框架和砌体填充墙,杆单元T3D2模拟钢筋,弹簧单元SPRINGA模拟框架和填充墙体的连接,建立了有限元非线性分析模型。对4榀单跨双层和1榀单跨单层砌体填充墙钢筋混凝土框架结构模型进行了非线性有限元分析,同时将计算值与试验值进行了比较,论证了有限元分析的可行性,进一步分析了砌体填充墙对框架结构性能的影响。     

基于改进纤维模型的RC剪力墙静力弹塑性分析

为了使纤维模型能够有效模拟剪切效应,提出了一种基于塑性理论和虚拟单元法的改进纤维模型RC剪力墙全过程静力弹塑性分析方法.推导出等效单轴应力和等效单轴应变的计算公式,在纤维层面建立考虑剪切效应的应力和应变关系,将纤维由多轴受力状态等效为单轴受力状态,引入虚拟单元法来解决有限元数值计算过程中遇到的负刚度问题.利用自编程序及ABAQUS软件对一片钢筋混凝土剪力墙进行静力弹塑性分析,结果表明,自编程序计算曲线与试验曲线及ABAQUS软件计算曲线吻合较好,能够反映出剪切效应的影响.改进的分析方法简便有效,便于编程,可用于分析剪切效应明显的钢筋混凝土剪力墙构件.     

界面应力元法的数值计算

根据界面应力元法的特点。在有限元缩程技术的基础上，提出了界面应力元界面单元刚度矩阵、块体元等效形心荷载的数值计算方法以及总体刚度矩阵的一维存储算法，用这些算法缩写的计算机程序分析表明，算法是合理的．     

基于LS-DYNA的混凝土三维随机凹凸型骨料数值建模

提出了三维随机凹凸型碎石骨料生成方法,利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件进行数值骨料投放模拟,得到了混凝土三维随机凹凸型碎石骨料几何模型。采用"基本单元模型"在投放区域生成立方体网格单元,结合新的空间点与随机多面体空间相对位置判定方法,判定出各单元材料属性,最后生成混凝土三维随机凹凸型碎石骨料有限元模型。以上混凝土细观有限元模型生成方法较好地控制了骨料粒径、数量和级配,生成的数值模型中骨料体积率在55%左右,处于真实混凝土骨料体积率的范围中。生成的数值骨料与真实碎石骨料形状接近。提出的细观混凝土有限元模型为对混凝土力学性能进行细观数值研究奠定了基础。     

带有斜撑的钢桁架数值简化分析及抗震性能

为了探究带有斜撑的钢桁架结构简化分析及抗震性能,基于有限元软件ABAQUS6.10平台,对以往试验中的试件进行模型简化分析.利用位移延性系数和等效粘滞阻尼系数来评价该结构的抗震性能,数值分析中普通支撑采用B31梁单元,屈曲约束支撑采用T3D2桁架单元.结果表明,采用T3D2桁架单元模拟屈曲约束支撑,采用B31梁单元模拟普通支撑是合理的.通过考察结构的滞回性能、延性系数及等效粘滞阻尼系数,表明带有屈曲约束支撑的钢桁架结构具有良好的抗震性能.     

FRP筋混凝土梁粘结滑移力学性能数值分析

为了研究FRP筋与混凝土之间的粘结性能以及FRP筋与FRP筋混凝土构件的力学性能,采用ABAQUS建立FRP筋混凝土梁有限元数值模型,模型中混凝土采用塑性损伤模型,FRP筋采用线性单元.FRP筋单元和混凝土单元采用非线性弹簧单元连接,通过选取粘结滑移本构、锚固长度计算公式和调整添加弹簧的数量以及位置来考虑粘结滑移对FRP筋混凝土梁受力性能的影响.数值模拟结果与文献试验结果具有较好的一致性,验证了该有限元模型的正确性,所得结果对FRP筋混凝土结构试验具有一定的指导作用.     

十字形钢骨混凝土柱的力学性能研究

为研究这种新型构件的力学性能,扩大异形柱的应用范围,采用有限单元法,建立了十字形钢骨混凝土异形柱的有限元分析模型．通过对十字形钢骨混凝土异形柱进行轴心受压和偏心受压的数值计算,将计算得到的荷载一位移曲线与试验结果进行比较,有限元计算的结果与试验结果吻合较好．说明了有限元方法对钢骨高强混凝土十字形截面短柱轴压和偏压承载力进行分析计算的可行性;也为钢骨混凝土异形柱力学性能的研究提供新的研究方法．     

钢筋混凝土静力等效简化模型的数值模拟

钢筋混凝土是由钢筋和混凝土构成的复合材料,属于非均质、非线性材料.在数值分析中要分别采用不同材料、单元类型模拟(即建立分离模型),这种模拟方式计算量过大,不适于对其整体结构进行分析.通过抗弯刚度等效的简化方式,建立了钢筋混凝土的均质等效模型,借助有限元软件对所建均质模型和分离模型进行了线性、非线性的静力模拟,由对结果的比较,确定简化模型的材料参数,为钢筋混凝土结构的静力模拟分析奠定基础.     

全级配混凝土细观力学网格划分的单元切割法与等效弹模的计算

混凝土细观力学是研究混凝土材料性质的重要方法之一.首先,采用被占区域剔除法生成骨料,该方法能较快地完成高含量骨料的混凝土细观力学模型生成.然后,针对目前混凝土细观力学网格剖分的难题,提出了单元切割法,解决了全级配高含量骨料有限元网格剖分的难题,并且所产生的网格单元形状比较规则均匀.最后编写了三维细观混凝土试件等效弹模的数值计算程序.算例给出了湿筛二级配、三级配以及全级配混凝土的细观力学模型,并将单元切割法产生的网格应用于混凝土细观力学等效弹模的计算,数值计算结果与其他数学方法的结果接近,表明该方法具有较好的实用性.     

考虑粘结滑移的型钢混凝土结构ANSYS模拟方法研究

介绍了采用ANSYS程序对型钢混凝土(SRC)结构进行非线性有限元数值模拟的实用技术和方法.结合型钢混凝土梁试验试件的数值模拟全过程,对采用ANSYS程序进行型钢混凝土结构数值模拟所涉及到的材料模型定义、几何模型建立、钢筋单元生成、约束条件、粘结滑移模拟、加载控制、计算参数设定以及后处理等问题均进行了全面介绍.重点介绍了型钢混凝土结构ANSYS数值模拟的建模技术和方法,并介绍了采用非线性弹簧单元(Combination39单元)对型钢混凝土结构粘结滑移进行准确模拟的实用方法.文中型钢混凝土梁ANSYS的数值模拟结果与试验结果吻合较好,表明本文提出的型钢混凝土结构ANSYS数值模拟技术可行,可为型钢混凝土结构的数值模拟技术研究、工程设计和理论研究提供有益的依据和参考.     

钢骨-圆钢管高强混凝土组合柱偏心受压力学性能

为研究钢骨-圆钢管高强混凝土组合柱偏心受压力学性能,采用有限元软件ABAQUS对14根钢骨-圆钢管高强混凝土组合柱偏心受压试件进行非线性分析,研究了荷载-侧向挠度曲线特征、不同受力阶段的应力分布规律及破坏模态,进行参数分析,讨论不同参数对组合柱偏心受压力学性能的影响.提出组合柱偏心受压承载力简化计算公式,并将简化公式计算结果与试验结果及有限元计算结果进行对比.编写了钢骨-圆钢管高强混凝土组合柱偏心受压数值分析程序.结果表明组合柱的偏心受压承载力随着偏心距、长细比以及径厚比增大而不断减小,随着配骨指标增大不断提高.简化计算公式计算结果及数值计算结果,与试验结果及有限元模拟结果吻合良好.