轻骨料混凝土断裂行为的细观数值模拟

基于细观尺度,将轻骨料混凝土看作由轻骨料、砂浆基质、两者之间的粘结界面层和气泡组成的四相复合材料。采用蒙特卡罗方法,随机生成轻骨料与气泡的位置和大小数据,在有限元计算软件ANSYS中建立二维的轻骨料随机分布数值模型,再将该模型导入ABAQUS中,在任意相连的两单元之间插入零厚度粘结单元,在单轴拉伸和压缩载荷作用下得到轻骨料混凝土数值试件的裂缝扩展路径及破坏形式。结果表明:通过该方法建立的数值模型,可模拟得出轻骨料混凝土试件的裂缝扩展路径,从而有助于在细观尺度上对轻骨料混凝土的力学性能进行深入研究。     

基于细观力学的混凝土轴向抗拉性能数值模拟

采用基于伸缩因子的圆形覆盖方法建立更贴近于真实情况的一系列二维随机骨料模型,采用塑性损伤模型系统地对比分析了二维随机骨料模型在不同骨料形状、骨料粒径搭配、初始缺陷、界面层厚度、界面层及砂浆强度等情况下的单轴拉伸性能.结果表明,拉伸破坏首先出现在最为薄弱的界面层;骨料形状的不同对试件拉伸性能影响较大;界面层厚度对混凝土试件脆性有所影响,对其他性能影响较小;相同试件初始缺陷的增加会导致试件弹性模量、极限抗拉强度及峰值拉应变的减小;界面强度与骨料比例、形状、初始缺陷等对混凝土试件拉伸性能影响最大;本方法可有效地模拟混凝土轴向抗拉,揭示混凝土裂纹扩展的方式及过程.     

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。     

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。     

混凝土随机损伤本构关系的数值模拟研究

从细观力学层次出发,把混凝土看作是由骨料、砂浆基质及两者之间的界面过渡区组成的三相复合材料,通过引入细观损伤变量及损伤变量的演化规律模拟了混凝土的破坏过程。首先生成骨料位置随机分布且颗粒级配符合Fuller曲线的数值试件,然后对每一相材料分别赋以服从Weibull分布的随机力学参数（弹模、强度和泊松比等）并规定相应的破坏准则,将通过上述途径获得的混凝土数值试件导入有限元软件Abaqus进行数值模拟。与实验结果的对比显示,本文提出的随机损伤数值模型能够较好地模拟混凝土板式试件在单拉、单压下的应力-应变关系曲线以及混凝土中裂纹的萌生、开裂过程。     

钢纤维再生骨料混凝土单轴受拉应力应变曲线数值模拟

为了探究细观尺度中钢纤维再生混凝土的受拉性能及损伤情况,基于随机骨料模型,以级配方程计算再生骨料各粒径骨料的含量,用瓦拉文公式将三维骨料含量转换为二维平面内各粒径骨料的分布概率,在MATLAB中利用蒙特卡洛方法生成随机数,考虑边界条件以及投放互不干涉法则,得到骨料圆心坐标、半径,以及纤维坐标。采用有限元分析软件Abaqus建立钢纤维再生骨料混凝土二维模型,对不同钢纤维体积掺量,钢纤维再生骨料混凝土单轴受拉应力应变曲线进行数值模拟分析。结果表明:数值模拟钢纤维再生骨料混凝土单轴受拉应力应变曲线形状与实际试验曲线吻合程度较好,且随着钢纤维体积掺量的提高,混凝土峰值应力提高,应力应变曲线下降段陡峭程度降低,延性增强;其应力集中出现于老砂浆、界面过渡区及钢纤维处,与实际情况相符。     

混杂纤维混凝土二维随机建模方法

以二维凸多边形骨料混杂纤维混凝土为例,提出骨料间、骨料与纤维间和聚丙烯纤维与钢纤维间的干涉判断方法,构建混杂纤维混凝土的二维随机投放生成算法和随机游走生成算法,并从骨料投放量、试件密实度、纤维分散性以及生成效率等4个方面对比分析两种算法的优劣。编制界面友好的交互式混凝土/纤维混凝土随机生成程序,展现不同骨料形状的钢纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土及混杂纤维混凝土试件投放效果,以验证生成算法的有效性和程序的可执行性。最后建立3种骨料形状的混杂纤维混凝土细观结构有限元模型。结果显示,随机游走生成算法比随机投放生成算法更适合于生成高填充率的混杂纤维混凝土试件,但其纤维分散性则相对较差。     

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。     

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.     

高宽比对隧道围岩稳定性的影响

为了研究隧道截面形式对隧道围岩的影响,本文采用模型实验和数值模拟方法结合研究了高宽比K变化时马蹄形隧道的围岩稳定性以及损伤破坏规律,考虑了隧道周边无宏观裂纹和含有单一裂纹两种情况;数值模拟采用ABAQUS混凝土塑性损伤模型,计算出隧道周边的应力,对含有裂纹的情况还利用J积分计算出裂纹尖端的应力强度因子,利用ABAQUS中XFEM（extended finite element method）扩展有限元技术模拟高宽比为0.9时裂纹的发展路径和应力分布,与模型实验吻合较好。结果表明,隧道围岩的稳定性和损伤破坏情况随隧道高宽比K的变化而变化,对无裂纹模型,模型试件抗压强度在K=1.5时最大,当K=1.0时最小;对有裂纹隧道模型,模型试件抗压强度在K=1.7时最大,当K=0.7时最小。