基于ANSYS的混凝土随机骨料生成方法与细观破坏数值模拟

为了研究混凝土骨料的细观破坏情况,提出了一种基于ANSYS的细密网格构筑任意形状骨料的方法。这种算法采用单元编号来控制颗粒投放过程,不仅生成骨料速度快,而且在骨料投放上更具有先网格划分后随机投放的优越性,尤其可以避免骨料重叠性判断运算中的重复性计算。利用这种算法对三级配混凝土骨料颗粒生成进行模拟,验证了该算法模拟颗粒形状和投放效率的可行性,且生成颗粒的效果与真实混凝土接近。通过对碎石混凝土、无骨料混凝土和轻骨料混凝土进行单轴压缩破坏过程的模拟分析,揭示了它们破坏的共性特征和个性差异,为深入开展此类材料的研究提供了参考。     

水泥基复合材料界面过渡区体积分数的定量计算

为了计算水泥基复合材料的界面过渡区体积分数,采用最邻近表面分布函数和骨料比表面积2种方法,结合实际骨料的筛分曲线,给出了界面过渡区体积分数定量关系式．结果表明：单位体积水泥基复合材料中,当骨料的体积分数〈0．5,界面厚度〈50μm时,2种方法计算的误差约为10％;界面区厚度越小,2种方法计算的误差也越小．     

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。     

含空隙沥青混凝土弹性模量预测的数值方法

含空隙沥青混凝土具有多尺度、多相特征,弹性模量是路面材料设计的重要力学参数之一。将解析解与数值解相结合,提出含空隙沥青混凝土弹性模量计算的两步法。首先构造出含空隙沥青砂浆的两相复合材料模型并给出其弹性模量的解析解。然后将含空隙沥青混凝土模拟成由骨料、界面和含空隙沥青砂浆所组成的三相复合材料,通过快速傅里叶变换获得弹性模量。该解的优点是考虑了骨料形状、界面和空隙水饱和度的影响。将数值模拟与试验结果对比,最大误差为4.54%,证实了该数值方法具有较高的精度。数值结果表明:沥青混凝土弹性模量随着界面厚度和空隙水饱和度的增大而增大,但随着粗骨料长细比的增大而减小。     

水泥砂浆界面处纳米压痕的近场动力学模拟

为了分析界面过渡区对水泥基材料的整体工程力学性能的影响,构建近场动力学方案用于模拟水泥砂浆界面处纳米压痕进程。方案中水泥颗粒和砂子颗粒均视为在纳米尺度上具有实际微观粒子性能的离散颗粒的集合,并将近场动力学方法中的本构力函数和长程范德华力结合构建了水泥砂浆界面处不同组分之间的作用力函数。在纳米压痕仿真中,在压头下压时,压头中心位于模型界面中心,通过给出弹性模量的数值,得到模型的位移分布图、能量分布图以及压头作用力与位移关系的曲线图,从纳米尺度上分析界面过渡区力学性能的变化。结果表明:水泥砂浆界面处水泥与砂浆部分的能量分布有明显区别,砂子部分的能量数值大于水泥部分;界面过渡区的力学性能与基体材料的性能密切相关,并呈现出高度的非均匀性,由此验证了水泥砂浆界面过渡区力学性能相对薄弱的事实。     

基于XFEM的骨料分布对混凝土有效模量的影响

混凝土的弹性模量是结构设计中最基本的参数,在计算方法上需要保证足够的准确性。基于现有的3层球壳解析模型,将骨料、界面过渡区和薄层砂浆组成的整体先行处理为等效夹杂体,并根据解析模型获得相应的弹性模量,随后将混凝土视为由此等效而来的夹杂体与基体砂浆组成的二相复合材料。在固定背景网格体系中,采用无附加自由度的扩展有限元方法计算不同级配和骨料含量的混凝土等效弹性模量。当混凝土的骨料分布发生变化时,无附加自由度的扩展有限元方法能够在程序设计上避免整体刚度矩阵的维度变化问题。此外,为了能在获得不同的骨料分布的同时获得较高的骨料含量,混凝土的级配采用固定的粒径分布形式。结果表明：骨料含量同为47.12%的3种级配的混凝土弹性模量基本相同,说明级配对混凝土弹性模量的影响可以忽略;解析解可较准确地预测稀疏骨料分布情况下的混凝土等效弹性模量,但骨料增加后其预测值出现较大偏差;混凝土弹性模量随硬骨料含量的增加线性增大,随软骨料含量的增加线性减小。     

混凝土界面特性与力学性能的细观数值分析

将混凝土等效为由骨料、水泥砂浆及二者间的界面所构成的三相复合材料,利用蒙特卡罗方法建立混凝土随机骨料模型。采用线性应力-裂缝宽度关系来表征混凝土材料的各相软化力学行为,利用扩展有限元法对单轴拉伸条件下混凝土材料的界面特性与力学性能进行数值分析。分析结果表明,随着界面强度提高,混凝土强度、断裂能和延性增大,破坏模式由单一贯通裂纹向多条非贯通裂纹过渡;混凝土弹性模量随界面弹性模量的增加而增大;界面厚度减小时,混凝土材料的强度、弹性模量、断裂能增加,界面厚度对混凝土力学性能弱化作用变小。     

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.     

等效参数替换法构建混凝土界面过渡区的数值模型研究

混凝土界面过渡区的厚度在微米级范围,为了达到界面相超薄体在混凝土细观仿真模拟中应用的目的,对混凝土三维三相模型进行五面体和四面体网格的混合划分,以四、五面体相同的力学传递结果为依据,替换有限元模型HJC本构关系的计算参数。结果表明,混合划分等效模型与全四面体划分模型的有限元计算结果一致,混合网格建模是可行的。在不同冲击速度下进行Ansys/LS-DYNA有限元数值仿真,采用微米级厚度界面相等效参数替换方法得到的数值模拟破坏模式和应力-应变曲线结果与试验结果拟合良好。     

外加材料对水泥混凝土孔隙率的影响

采用正交试验法研究了聚合物乳液、减水剂、聚丙烯纤维对水泥混凝土孔隙率的影响,并进行了线性回归分析;通过孔分析研究了混凝土试样的孔隙率及孔径分布情况;利用扫描电镜以及能谱分析,观察了骨料与基体材料界面过渡区的微观结构,并探讨了聚合物乳液改善混凝土孔隙率的机理.研究结果表明:掺加聚合物乳液、减水剂能够明显降低水泥混凝土的孔隙率,改善孔结构,增加密实度,使水泥混凝土的耐久性得到提高.