混凝土三维细观力学模型分析

混凝土的级配及骨料含量对其宏观力学特性有直接影响,选择合适的骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟的前提,在三维随机凸多面体骨料模型的基础上选择合适的试件模型并进行有限元剖分,利用并行计算技术分别对湿筛混凝土试件三维球形骨料和凸多面体骨料细观模型进行了静载弯拉破坏数值模拟对比计算.计算结果表明,三维凸多面体骨料生成算法是可行的,能够满足混凝土三维细观力学模拟的需要.     

混凝土随机凸多面体骨料模型生成及细观有限元剖分

混凝土的级配及骨料含量对其宏观力学特性有直接的影响，适当的随机骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟分析的前提和基础。本文针对全级配大坝混凝土的高骨料含量的要求，给出了一种高效率生成随机球骨料模型的方法。并在随机球骨料模型的基础上，形成随机凸多面体骨料模型。同时，研究了细观单元属性判别方法，编制了对含有凸多面体骨料的细观区域进行结构性有限元网格剖分程序。本文给出的三维随机骨料模型算法不但考虑混凝土的骨料的实际级配和含量，而且计及了骨料的实际形态。     

基于背景网格的混凝土细观力学预处理方法

为提高混凝土细观力学预处理的效率与骨料投放含量,并适应不同体积、不同骨料含量混凝土的细观数值模拟要求,本文提出了一种新的预处理方法。该方法在骨料投放阶段,首先形成投放区域的背景网格以及对应网格点的状态矩阵,用以进行骨料的投放定位以及骨料间相互侵入的判定,提高了投放的效率和骨料含量;其次,在细观有限元剖分阶段,利用已有的背景网格状态矩阵完成混凝土细观三相介质的坐标生成,简化了预处理过程。同时,采用分级配随机投放的方式,可保证投放的随机性以及级配分布的合理性。实例证明,该方法实现的二维投放骨料含量可达到80％,三维可达到60％,为细观混凝土数值模拟的预处理提供了一种有力的工具。     

基于背景网格的混凝土细观力学预处理方法

为了提高混凝土细观力学预处理的效率与骨料投放密实度，以适应不同体积、不同骨料含量混凝土的细观模拟要求，本文提出了一种新的预处理方法。该方法在骨料投放阶段，首先形成投放区域的背景网格以及对应网格点的状态矩阵，用以进行骨料的投放定位以及骨料间相互侵入的判定，提高了投放的效率和密实度；其次，在细观有限元剖分阶段，利用已有的背景网格状态矩阵完成混凝土细观三相介质的坐标生成，简化了预处理过程。此外，采用分级配随机投放的方式，可保证投放的随机性以及级配分布的合理性。实例证明，该方法实现的二维骨料投放密实度可超过80%，三维可超过60%，为细观混凝土数值模拟的预处理提供了一种有力的工具。     

一种混凝土随机凸多边形骨料模型生成方法

混凝土的级配及骨料含量对其宏观力学特性有直接的影响。适当的随机骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟分析的前提和基础。本文首先讨论了瓦拉文公式的推导过程，分析了骨料分布和形态的随机特性，按照骨料切面几何图形面积等效的原则，将瓦拉文公式推广应用于确定二维混凝土试件截面凸多边骨料分布。研究了点与多边形及多边形与多边形的贯穿和侵入的几何关系，编制了凸多边形生成程序和细观有限元剖分程序。全级配混凝土梁三分点加载弯曲数值试验显示了所编程序的正确性。     

基于多重点云与分级聚合的全级配混凝土三维细观结构高效生成方法

本文提出了一种高骨料含量全级配混凝土三维细观结构高效生成方法。通过建立包含各粒级随机骨料的分级骨料库,实现了所需骨料的快速选取;提出在连续投放域内构建具有空间结构的多重点云,大幅提高了全级配混凝土三维细观结构的生成效率;通过骨料分级聚合弥补了各粒级中少量骨料投放失败造成的骨料体积损失。实例以及与其他方法的对比分析表明,采用本文方法可在满足设计级配要求的前提下,高效生成骨料体积含量达60%以上的全级配混凝土三维细观结构,为开展全级配混凝土细观精细仿真奠定了基础。     

混凝土三维随机凸型骨料模型生成方法研究

为了较好地模拟混凝土的细观结构,开展了混凝土三维细观随机骨料模型的算法研究,比较分析了骨料生长、相交的算法特点。以随机球形骨料模型为基础,以体积为标度,在前人的基础上,提出了一种新的混凝土三维凸型骨料的生长方式——射线延拓法和一种新的骨料相交判断方法——有约束非线性最优化方法,避免了骨料传统相交判断算法中的多重循环。采用分割-填充法,改善了骨料随机投放过程中的效率问题,使得建模更快捷、有效。     

混凝土细观尺度下单轴拉伸性能研究

采用蒙特卡罗方法生成不同骨料形状的二维混凝土试件模型,对不同骨料形状、骨料分布、骨料含量、初始缺陷与界面层厚度等条件下的混凝土试件进行单轴拉伸分析。结果表明:骨料形状的不同对试件拉伸性能影响较大,碎石形骨料试件会较早出现应力集中,圆滑的骨料边缘可以改善试件应力分布,提高混凝土试件抗拉性能;骨料分布不同与界面厚度不同对混凝土单轴拉伸性能的影响可以忽略;初始缺陷的增加会导致试件弹性模量、抗拉强度及峰值拉应变减小;混凝土材料的不均匀性使其在承受逐级增大的荷载时产生不均匀变形和应力。     

混凝土随机骨料模型可视化方法

在生成三维随机球形骨料模型的基础上，研究了形成随机凸多面体骨料模型的方法，并利用FORTRAN语言编制凸多面体骨料生成程序和细观有限元网格剖分程序。为了实现骨料模型和其细观有限元网络的可视化，着重研究了利用现有商业软件生成多面体随机骨料的可视化混合编程的方法。利用面向对象的VB语言界面编程技术，编写了实现WINDOWS视窗环境的VB程序，并在该环境下调用生成骨料模型的FORTRANN计算程序和Matlab骨料模型图形绘制程序。另外，还研究了细观有限元剖分数据在GID软件实现网格可视化的格式和方法。     

基于随机骨料数学模型的混凝土弹性模量预测

按照混凝土试件的实际配比计算出各粒径区间的骨料体积含量,对骨料颗粒进行随机投放,生成随机骨料的数值模型。对不同形状骨料的随机骨料模型建立的体积表征单元(RVE)施加均匀位移边界条件,通过有限元方法计算该RVE中的应力和应变场,然后由细观力学数值均匀化方法预测RVE的有效弹性模量。数值计算结果和试验值的对比表明,基于随机骨料模型的混凝土弹性模量的预测是有效的,骨料含量为40%和60%时预测值与试验值相近;由多边形骨料模型得到的弹性模量略高于圆形骨料,骨料的空间分布对于预测结果的影响甚微。假定材料的细观单元力学性质服从Weibull分布时,预测的有效弹性模量结果偏低,且随均质度的减小而减小。     

全级配混凝土单轴疲劳特性细观数值模拟

为研究全级配混凝土在等幅、变幅及阶梯重复荷载作用下的疲劳特性,揭示材料特性与疲劳应力水平对其疲劳寿命的影响规律,通过自编程序建立二维随机骨料模型,运用有限元软件和耐久性疲劳分析软件进行联合仿真,对全级配混凝土细观结构进行应力分析和疲劳分析,探讨了不同骨料分布、骨料形状及疲劳应力水平对混凝土疲劳性能的影响,并估算了疲劳寿命。结果表明:在阶梯重复荷载作用下,骨料形状和分布对混凝土疲劳寿命影响较小,而疲劳应力水平对疲劳寿命影响较大;圆形和椭圆形骨料混凝土疲劳寿命较高,多边形骨料寿命较低;在疲劳加载破坏过程中,骨料界面先起裂,然后裂纹逐渐扩展贯通,最后导致整个试件完全破坏,可见骨料界面是混凝土中的薄弱部位,其寿命直接影响整个混凝土试件的寿命。研究成果为后续混凝土疲劳性能研究提供了参考。     

混凝土试件细观结构的数值模拟

本文将常用混凝土级配曲线与三维富勒级配曲线作了对比分析，从而为基于瓦拉文公式的随机骨料模型对试件内截面进行细观结构的数值模拟提供了依据。在此基础上，采用双折线损伤演化模型描述混凝土细观各相弹性损伤退化，利用有限元方法进行了混凝土湿筛试件、全级配试件单轴受压和全级配混凝土三分点梁弯拉细观结构数值模拟。通过单轴受压数值试验讨论了同一级配不同骨料分布、有限元单元尺寸及试件尺寸对极限荷载计算结果的影响。结果显示：(1)同级配不同随机骨料分布的影响在试验结果统计范围之内；(2)为了充分反映混凝土细观特性的非均性，单元尺寸应小于最小骨料粒径的三分之一；(3)湿筛试件与全级配试件数值模拟结果验证了试件的尺寸效应。在全级配混凝土三分点梁弯拉试验的模拟计算中，讨论了界面单元、固化水泥砂浆基底强度及损伤参数对计算结果的影响。通过细观结构数值模拟，直观显示了混凝土试件单轴受压和三分点梁抗弯曲试验在不同加载阶段微裂缝产生、扩展直至失稳的过程，及其宏观应力-应变曲线的变化情况。基于有关文献资料给定的混凝土各相参数得到的数值模拟结果与试验统计结果相符。     

随机骨料模型形态对大坝混凝土弯拉强度的影响

建立反映混凝土实际骨料级配、含量及其形态的随机骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟分析的前提和基础.球形骨料模型和基于瓦拉文公式生成的圆形骨料模型基本上能够接近卵石、砾石等球状或浑圆状的骨料,但与一般碎石骨料的形态差异较大.本文分别采用随机圆形骨料、球骨料与多边形、多面体骨料模型,通过对全级配大坝混凝土试件弯拉破坏过程的细观数值模拟,对比分析了不同骨料模型形态对计算结果的影响,探讨了用球形骨料或圆形骨料简化实际碎石骨料的有效性.     

混凝土骨料预冷热力学仿真分析

利用ANSYS软件,对混凝土骨料颗粒预冷传热问题进行了三维数值仿真分析。模拟了不同进出风口位置和进出风管直径下骨料仓内的温度分布,分析了不同因素对骨料颗粒冷却效果的影响,提出了合理的冷却仓结构设计参数,可为混凝土预冷系统的高效节能提供参考。     

全级配混凝土在破坏时的应力和变形关系

为了探讨全级配大骨料混凝土的多轴受力状态，本文采用试验的方法比较了全级配混凝土和湿筛混凝土在双轴拉压受力情况下在破坏时的强度和变形特性。通过对试验结果的分析看出，不论混凝土试件的骨料和尺寸大小如何，其破坏时的极限应力包络线都是相似的，并都可近似用一直线来代替，文中给出了这些极限应力的回归表达式。全级配混凝土与湿筛混凝土在破坏时混凝土的主拉应变与其平均应力具有较高的相关性，而混凝土的主压应变则与在受压方向上的最大压应力值同混凝土的单轴受压强度的比值具有较高的相关性。全级配混凝土与湿筛混凝土在破坏时的应力应变关系曲线具有相似的外形，其本构关系曲线可用统一的模式来描述。最后，用三组图形比较了试验测量结果和给定的本构关系方程的吻合性。     

混凝土破裂过程三维数值模拟及CT验证

将混凝土简化成由骨料、水泥砂浆及其二者之间的界面层所组成的三相复合材料，建立了混凝土骨料随机分布三维模型，用界面单元多次细分技术进行有限元网格划分，基于弹性损伤本构关系采用双折线损伤演化模型描述混凝土细观各相弹性损伤退化，用弹性模量的折减程度来反映混凝土试件在加载过程中的损伤程度。对混凝土圆柱体试件进行了数值模拟计算，并从混凝土破坏过程图和荷载-位移曲线图两方面比较了数值模拟的破坏过程与CT试验结果，发现试件破坏时裂纹的萌生、扩展过程与CT观测到的过程具有相似性，说明用本文建立的三维数值模型模拟混凝土材料的损伤破坏过程是基本可行的。