基于预插黏性界面单元的混凝土细观拉伸断裂过程数值模拟

为确定预插黏性界面单元法模拟混凝土细观拉伸断裂的有效性和适用性,基于黏性裂缝模型理论,在实体单元中嵌入黏性界面单元(cohesive interface elements),对东江拱坝二级配混凝土试件单轴受拉的断裂过程进行数值模拟.按照试件的实际配比计算出各种粒径骨料的数目,采用Monte-Carlo法对混凝土骨料进行随机投放,生成试件的随机骨料模型,研究黏性界面单元的网格密度、骨料随机分布形式及界面单元的断裂参数对混凝土宏观力学性能及断裂模式的影响.结果表明:采用黏性界面单元可有效地模拟混凝土材料细观断裂破坏过程和宏观力学性能.     

均匀化在数值混凝土单轴拉伸试验中的应用

目的研究湿筛混凝土、全级配混凝土的抗拉强度,进一步掌握混凝土的细观结构与宏观力学性能间的关系.方法将混凝土视为由骨料、水泥砂浆及二者间的粘结带所构成的三相复合材料,利用蒙特卡罗方法生成混凝土随机骨料模型.采用双折线损伤演化模型描述混凝土细观各相单元的损伤退化.利用非线性有限元方法对一级配混凝土试件的轴拉实验进行了数值分析;在二级配混凝土试件的轴拉实验中验证了均匀化的正确性;在全级配混凝土轴拉实验中应用了均匀化方法.结果得到一级配混凝土的抗拉强度为2.5 MPa,二级配混凝土的抗拉强度为1.96 MPa,四级配混凝土的抗拉强度为1.72 MPa.结论采用均匀化方法预测全级配混凝土的宏观力学性能是可行的.数值模拟所得的结果与实验结果表现出较好的一致性.     

冲击荷载作用下混凝土抗压强度的细观力学数值模拟

为研究混凝土在冲击荷载作用下的细观破坏机制,将混凝土视为由骨料、水泥砂浆及二者间的黏结带所构成的三相复合材料,根据瓦拉文公式确定代表骨料的颗粒数,采用蒙特卡罗方法生成随机骨料模型.采用双折线损伤模型描述混凝土细观单元的损伤退化.利用非线性有限元方法对湿筛混凝土立方体小试件和全级配混凝土立方体大试件在冲击荷载作用下的细观破坏机制进行数值模拟,给出了试件的应力-应变曲线和动态抗压强度.研究结果表明,数值模拟所得的结果与实验结果表现出较好的一致性.     

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.     

界面特性及骨料分布对混凝土破坏模式影响

过渡区界面(ITZ)是混凝土细观组分中的相对薄弱环节,对混凝土的宏观力学性能具有重大影响。基于混凝土随机骨料模型,采用扩展有限元法(XFEM),对单轴拉伸及弯拉条件下混凝土材料的细观破坏过程及机理进行数值模拟,研究界面特性及骨料空间分布形式对混凝土宏观力学性能及破坏模式的影响。数值结果表明:(1)不同界面强度使得混凝土具有不同的细观破坏模式,界面强度越高混凝土宏观强度越高;(2)骨料分布形式影响混凝土细观破坏模式,但对混凝土宏观弹性模量及强度的影响可忽略。     

再生混凝土轴心受拉性能试验与格构数值模拟

通过轴心受拉试验获取再生混凝土各相材料(老硬化砂浆、新硬化砂浆、界面过渡区)的力学参数,并研究再生混凝土在轴心受拉状态下的破坏机理.基于固体力学相关知识,结合再生混凝土各相材料的力学性能,建立一种再生混凝土细观格构模型.根据试验获得的再生混凝土各相材料力学参数,通过格构模型对再生混凝土进行轴心受拉模拟分析,获取再生混凝土轴心受拉应力-应变曲线,并探讨再生混凝土的内部破坏过程和轴心受拉破坏机理.结果表明,再生混凝土的受拉断裂部位主要集中在新或老硬化砂浆处,针对再生混凝土受拉力学性能,格构模型的模拟分析与轴心受拉试验结果基本吻合.     

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。     

混凝土拉压强度尺寸效应的细观非均质机理

为了从材料细观非均质角度揭示混凝土强度尺寸效应机理,建立了混凝土细观单元等效非均质力学模型,开展了立方体抗拉、抗压强度尺寸效应细观数值模拟研究。研究结果表明：混凝土强度尺寸效应根源于材料细观非均质性,随着模型尺寸的增加,混凝土材料细观单元弹性模量变异系数增大,材料细观非均质性增强,大尺寸模型内部存在更多的低强度单元或缺陷,导致混凝土立方体抗拉、抗压强度降低,极限应变减小,脆性增大;混凝土损伤破坏由少量集中区域,发散扩展形成多条非贯通的裂纹带;数值模拟结果与尺寸效应实验数据相吻合。     

冲击荷载下混凝土破坏过程的数值模拟

目的 探究冲击荷载作用下混凝土内部真实的破坏机理以及在不同应变率下混凝土强度随应变率的变化规律.方法 基于离散单元法,采用细观二维梁-颗粒模型BPM(Beam-Particle Mode in Two Dimensions)模拟了三种不同应变率下混凝土材料的动态响应.结果 从混凝土破坏图形可以看出.冲击荷载下混凝土的破坏过程实际上是混凝土内部的原生裂纹的激发、扩展、贯通直至整体结构的破坏.从混凝土应力-应变曲线可以看出.混凝土是率敏感性材料,其峰值应力和应变均随应变率的提高而增大.结论 模拟结果和试验结果在达到峰值应力前的曲线基本吻合,说明梁-颗粒模型可以用来模拟混凝土在冲击荷载下的动态破坏,其结果是可靠和准确的.     

混凝土四相复合模型的三维细观破坏模拟

考虑到混凝土内部细微裂隙的存在对混凝土强度和变形的重要影响,提出将混凝土视为砂浆、骨料、界面和随机缺陷组成的四相复合材料模型。混凝土细观单元服从应变空间内增量形式的弹塑性损伤本构,采用破坏单元网格消去法模拟混凝土裂纹扩展,数值模拟了三维混凝土单轴压缩和不同均质度试样的单轴拉伸弹塑性损伤破坏过程。结果表明：文中建立的混凝土四相复合材料模型中增加随机缺陷的模拟,一定程度上符合混凝土成形实际情况;随机缺陷的体积百分比是决定弱化混凝土宏观强度程度的主要因素;均质度低的单轴拉伸试样裂纹咬合明显,均质度高的试样断裂更清晰,数值模拟结果与试验结果较吻合。     

铝锂合金/FM94胶接接头内聚力模型参数识别

为了正确预测铝锂合金/FM94胶接接头的强度与失效特征,采用ABAQUS软件建立胶接接头的内聚力仿真模型. 针对内聚力模型关键参数的确定问题,利用材料力学和断裂力学相关理论推导I、II型断裂失效形式下断裂能的计算公式;通过实验测定FM94胶接铝锂合金标准双悬臂梁（I型失效）和三点弯曲试样（II型失效）的力-位移曲线,计算并确定不同失效模式下的内聚力模型参数;采用三角形内聚力理论模型和所确定的模型参数进行双悬臂梁标准试样、三点弯曲标准试样及单搭接接头的强度与断裂失效过程的数值仿真. 结果表明：仿真结果与实验数据较一致,在不同加载速率下断裂载荷最大误差为4.4%,断裂位移最大误差为3.8%,验证内聚力模型参数确定方法合理,模型参数正确.     

基于孔隙压力黏结单元的准脆性材料水力劈裂模拟

传统数值方法对水力劈裂的模拟一般采用预设裂缝扩展路径,且将水流作用等效为压力荷载,难以反映裂缝渗流-开裂耦合效应. 采用自编程Python脚本程序批量插入孔隙压力黏结单元,考虑裂缝渗流-开裂耦合作用模拟准脆性材料水力劈裂随机扩展全过程. 在对经典理论模型及试验结果模拟验证的基础上,开展含多裂缝均质模型的水力劈裂全过程分析,并进一步建立混凝土细观尺度水力劈裂模型,分析骨料、界面过渡区和基体渗透性对混凝土劈裂全过程的影响. 结果表明,本研究模型可以有效模拟准脆性材料水力劈裂失效过程,准脆性材料多缝开裂过程伴随微裂缝的分叉扩展而非光滑的裂缝扩展路径,骨料及界面过渡区影响劈裂扩展路径造成裂缝分叉出现,混凝土基体的渗透性对其抵抗水力劈裂不利并影响失效软化过程.     

强化有限元剪力连接件的拔出数值模拟

剪力连接件的拔出过程伴随着混凝土的拉裂与扩展,为了准确模拟拔出过程中的非连续变形及剪力连接件抗拔承载力,本文采用基于强化有限元的无厚度CZM单元,以粘聚区域模型描述剪力连接件拔出过程裂纹的开裂与扩展。然后建立了剪力连接件拔出数值分析模型,对拔出过程连续－非连续变形进行模拟,得到了拔出过程的荷载位移曲线,剪力连接件的抗拔承载力以及拔出过程裂纹扩展形态。本文方法可以实现拔出过程混凝土裂纹起裂扩展的非连续变形的数值模拟。     

混凝土材料细观结构断裂数值模拟

在细观层次上，应用蒙特卡洛法，在二维平面上建立了混凝土多边形骨料随机分布结构模型。对该模型采用有限元方法，根据最大周向正应力准则，以混凝土三点弯曲梁试件为例，进行了开裂过程的模拟，得出了裂纹在基质、骨料及界面中的扩展路径。仿真分析表明，混凝土试件的承栽能力随着组成骨料粒径的不同而变化，中对此进行了讨论。     

A combined continuous-discontinuous approach for failure process of quasi-brittle materials

Rock,concrete and other geo-materials,due to the presence of microstructural inhomogeneity,their fracture processes and damage characteristics are associated with the distribution of micro-cracks contained in the materials.In this study,by introducing a cohesive zone model based on fracture mechanics into the framework of deformable discrete element method,a continuous-discontinuous coupling analysis approach for simulating the fracture of quasi-brittle materials is proposed.The cohesive interface elements are inserted into certain engineering or research region.It is assumed that damage and fracture occur only in the interface elements,while bulk material is modeled to be elastic.The Mohr-Coulomb criterion with tension cut-off is adopted as the damage initiation criterion,and a scalar damage variable representing damage in the material is used to describe the rate at which the material stiffness is degraded.Cracks are simulated explicitly by the failure of the interface elements.Numerical simulations are performed in order to validate the suggested method.Partial applications are also listed.The results show that this method provides a simple but effective tool for the simulation of crack initiation and propagation,and it can reflect the whole process of quasi-brittle materials from small deformation to large deformation and failure.     

Improved parameter selection method for mesoscopic numerical simulation test of direct tensile failure of rock and concrete

In order to numerically simulate the failure process of rock and concrete under uniaxial tension, an improved method of selecting the mechanical properties of materials was presented for the random mechanic parameter model based on the mesoscopic damage mechanics. The product of strength and elastic modulus of mesoscale representative volume element was considered to be one of the mechanical property parameters of materials and assumed to conform to specified probability distributions to reflect the heterogeneity of mechanical property in materials. With the improved property parameter selection method, a numerical program was developed and the simulation of the failure process of the rock and concrete specimens under static tensile loading condition was carried out. The failure process and complete stress-strain curves of a class of rock and concrete in stable fracture propagation manner under uniaxial tension were obtained. The simulated macroscopic mechanical behavior was compared with the available laboratory experimental observation, and a reasonable agreement was obtained. Verification shows that the improved parameter selection method is suitable for mesoscopic numerical simulation in the failure process of rock and concrete.     

钢筋混凝土梁塑性损伤模型的数值模拟

为了对钢筋混凝土适筋梁和钢筋混凝土超筋梁的破坏过程进行数值模拟,利用ABAQUS软件的后处理程序分别绘出两种梁的荷载-位移曲线和弯矩-位移曲线,并针对两种梁的荷载-位移曲线和弯矩-位移曲线分析简支梁的不同破坏形式,求出两种梁的极限弯矩和受剪承载力,与按照现行混凝土结构设计规范计算的理论结果进行比较.试验结果表明,模拟结果与理论结果比较接近,且符合钢筋混凝土简支梁破坏的基本规律,采用的分析模型是正确的,对该结构采用有限元分析的方法是有效的.     

基于细观力学模型的混凝土温度裂缝研究

建立了混凝土的细观力学模型,考虑骨料、砂浆和界面的3相组成,利用Weibull概率分布对各相材料的力学参数进行随机赋值,体现出材料的细观特征和不均质特性.基于混凝土弹脆性损伤模型,对混凝土开裂进行数值模拟,以单轴压缩和3点弯曲梁实验对该方法进行了验证,同时提出了通过宏观性质演算细观参数的方法,最后,模拟了寒潮工况下早龄期混凝土在不同保温条件下的开裂.结果表明:该方法能较好地模拟混凝土材料中微裂纹的萌发和扩展,能较好地反应混凝土材料在温度荷载下开裂的全过程.     

热障涂层热破裂失效过程的数值分析研究

从热障涂层的非均匀性特点出发，运用基于细观力学原理的材料真实破坏过程分析RFPA数值模拟方法，对热障涂层的热破裂失效过程以及表面预置裂纹对形成界面裂纹的影响进行了数值模拟分析，从表面预置裂纹的长度和密度两个方面研究了陶瓷涂层与基体间界面裂纹的形成机理和分层剥离模式.模拟结果真实再现了热障涂层的热失效过程.