基于近场动力学方法的混凝土板侵彻问题研究

由于近场动力学(Peridynamics)用统一空间积分-时间微分方程描述物体连续或不连续区域,改进常用微观弹脆性模型对势本构力函数,给出刚性体与变形体冲击问题接触算法;编制计算程序,验证经典简支梁变形及Kalthoff-Winkler试验;数值模拟刚性弹丸侵彻混凝土矩形板破坏过程,揭示损伤累积及裂纹扩展全过程与最终破坏形态。结果表明,改进的近场动力学模型及算法合理、可靠,能有效模拟混凝土结构冲击破坏及侵彻问题。     

饱和混凝土冲击破坏的近场动力学建模分析

在常规态型近场动力学理论框架下提出一种考虑孔隙作用的亚均质饱和混凝土模型。该模型体现了混凝土的细观结构非均质性,在“键”层次上将混凝土细观尺度的各相成分与宏观尺度的断裂行为联系起来,同时不增加计算量。进一步通过物质点间“键”的缺失来表征内部孔隙的存在,并分析孔隙率对混凝土力学性能的影响。最后基于两相球模型得到饱和混凝土的有效体积模量与剪切模量,建立饱和混凝土模型。基于提出的模型对饱和混凝土中的波传播问题及动态冲击破坏问题进行数值模拟,所得结果与相应试验结果吻合较好,验证了该模型和方法对研究饱和混凝土动态冲击问题的适用性。     

冲击荷载作用下混凝土结构破坏过程的近场动力学模拟

混凝土在冲击、侵彻等动载荷作用下产生损伤和破坏的过程,其实质是力学模型从连续体到非连续体的转变过程。传统的连续介质理论基于连续性假设并运用偏微分方程求解问题,难以直接用于计算和模拟材料及结构发生破坏的整个过程。近场动力学(Peridynamics,PD)是一种新兴的基于非局部模型描述材料特性的数值计算方法。该方法假定位于连续体内的粒子通过有限的距离与其它粒子相互作用,通过积分计算在一定近场范围(horizon)内具有一定影响域的材料点之间的相互作用力,而不论位移场的连续与否,避免了传统的局部微分方程求解在面临不连续问题时的奇异性和现有多尺度算法的复杂性。该文概述了PD方法的理论基础,描述了其建模思路及计算体系,给出了用近场动力学方法模拟结构受冲击荷载的计算格式。算例结果表明:PD方法可以很好地刻画和模拟材料及结构的损伤累积与渐进破坏过程。最后讨论了PD方法在理论、计算和应用等方面有待进一步研究的问题。     

冰球冲击试验的近场动力学方法数值模拟

为了研究近场动力学方法在模拟冰体高应变率破坏行为的可靠性,基于近场动力学理论通过自编程实现对冰球高速冲击力学行为的数值模拟,将计算结果和试验结果进行对比。结果发现:近场动力学方法能准确模拟冰球冲击过程下高应变率破坏的完整过程,对球体表面裂纹扩散以及冰球整体裂解的细节模拟十分到位,且在20~60 m/s速度范围内对冲击载荷预报的幅值最大误差18.2%,均值最大误差18.4%;同时,发现在20~60 ms/中低速冲击过程中,冰球破坏以半球切面为界限,靠近冲击面的下半球体呈粉碎性破坏,上半球体呈碎片状破坏,当冲击速度大于60 m/s后,继续增大速度会使上半球体破坏程度剧烈增大;当冲击速度大于100 m/s,上下半球都呈粉碎状破坏。     

基于键基近场动力学理论的单裂纹圆孔板冲击破坏研究

基于键基近场动力学理论,建立分离式霍普金森杆冲击单裂纹圆孔板动力学模型,其中霍普金森杆用一维PD模型、单裂纹圆孔板用二维PD模型描述,采用短程斥力模型描述碰撞过程,模拟冲击压缩条件下单裂纹圆孔板动态破坏行为。通过试样端面受力分析得到端面载荷的V形分布规律,解决了传统实验-数值研究法在端面加载上的局限性。研究不同入射速度下试件裂纹的扩展过程和破坏模式,准确捕获了裂纹起裂、止裂及二次起裂时间。根据键基近场动力学理论下材料动态应力强度因子计算方法,求得裂纹的起裂韧度,为材料动态断裂韧度计算提供了新的途径。     

爆破冲击荷载作用下宏观孔隙混凝土损伤演化的近场动力学模拟

针对静载、冲击荷载条件下宏观孔隙混凝土的孔隙参数对混凝土损伤演化过程的影响问题,采用MATLAB程序结合蒙特卡罗方法生成随机的孔隙结构物理模型,通过自编近场动力学程序模拟了单轴压缩下宏观孔隙混凝土的应力应变过程,并制备了以聚苯乙烯小球高温融化为孔隙体的混凝土砂浆试件,对宏观孔隙率0%～40%的混凝土试件进行了单轴压缩,实验验证了模型计算结果的准确性,随后模拟了爆破冲击作用下宏观孔隙混凝土的裂纹萌发与扩展。结果表明：孔隙率对宏观孔隙混凝土材料力学性能的影响显著,随着孔隙率的增加,试样的密度、抗压强度、弹性模量以及纵波波速不断降低,当孔隙率达到30%后,孔隙率对轴线抗压强度影响减弱,并且出现峰前应力跌落现象。孔隙率为零的混凝土试样在无围压冲击荷载作用下具有明显的压剪破坏形式,而含孔隙的混凝土由于大量的孔隙存在导致孔隙间混凝土骨架的拉伸或剪切贯通破坏。在相同冲击荷载下不同孔隙率混凝土的破坏情况不同,孔隙率大的孔隙混凝土试样破坏严重,表明孔隙率对冲击载荷作用下混凝土试件能量耗散起着重要作用。     

基于改进型近场动力学方法的多裂纹扩展分析

在非局部键型近场动力学理论基础上,提出了能够反映混凝土、岩石类材料力学特性和非局部长程力尺寸效应的改进型近场动力学微极模型,弥补常规微观弹脆性（Prototype Microelastic Brittle,PMB）键型近场动力学本构模型的应用范围限制和定量计算误差大等缺陷,并构建了相应的适合于模拟脆性多裂纹扩展问题的近场动力学算法体系。通过对不同核函数修正项对应的近场动力学定量计算结果进行比较,验证了改进型近场动力学模型和数值算法的计算精度并确定了精度最高的核函数修正项;模拟双裂纹脆性板受压和随机多裂纹脆性板受拉的裂纹扩展全过程并与已有结果对比,进一步验证了模型和算法在模拟多裂纹扩展问题时的可靠性。分析了含多裂纹三点弯梁的起裂和裂纹失稳扩展过程,并研究了裂纹初始倾角、初始长度等因素对构件破坏形式和破坏荷载的影响规律。     

基于Ⅰ型裂纹混凝土梁断裂过程的数值模拟与计算

很多情况下混凝土结构是带裂缝工作的，而且其断裂常以Ⅰ型裂纹为主。以对称三点弯曲混凝土梁为例，基于最大拉应力强度理论与COD理论，通过非线性有限元理论模拟了其断裂过程中裂纹的萌生、扩展、贯通，直至整个结构破裂的全过程，并在此基础上利用Franc2D／L软件，通过自适应网格划分技术，对断裂过程中混凝土断裂参量定。的变化规律进行了分析与计算。计算结果表明，这种方法是可行的。     

双轴动载作用下脆性裂纹扩展问题的近场动力学建模与分析

在双参数微极近场动力学弹脆性模型基础上,引入反映长程力尺寸效应的核函数修正项以提高定量计算精度和收敛稳定性。通过定量变形计算和双轴动载作用下含中心裂纹准脆性板的裂纹扩展过程模拟,验证了本文模型与算法。应用本文模型能准确反映动载作用下的裂纹起裂、扩展、分叉与二次分叉等现象。进一步分析了双轴动载作用下含不同倾角、不同间距平行双裂纹脆性板的破坏模式、起裂时间与承载能力,以及含不同倾角多裂纹脆性板的破坏机制。结果表明：初始裂纹倾角与间距对脆性板承载能力有显著影响,在平行双裂纹倾角一定时,间距越大脆性板承载能力越强;双轴动载作用下多裂纹扩展时,裂纹之间首先相互连接且无分叉,在初始裂纹连接贯通后向边界扩展时出现分叉及二次分叉。     

基于扩展有限元法的钢筋混凝土梁复合断裂过程模拟研究

针对钢筋混凝土梁裂纹扩展问题,基于扩展有限元法,建立了预置裂纹的简支混凝土梁三维模型,用粘聚裂纹模型描述裂纹面间的力学行为,采用线性的软化曲线表示裂纹尖端断裂过程区的应变软化行为,分别对素混凝土梁和钢筋混凝土梁的复合断裂过程进行模拟,分析了纵向钢筋对裂纹扩展路径、荷载-挠度和荷载 -CMOD (裂缝开口处张开位移)曲线的影响,并与文献中的试验结果进行对比,计算结果与试验结果吻合良好,展示了扩展有限元法在结构断裂破坏分析方面的独特优势。     

基于拓展虚内键本构模型的多裂纹混凝土结构破坏分析

拓展虚内键(Augmented virtual internal bond, AVIB)是基于虚内键理论的一种多尺度本构模型,它同时考虑了微观虚内键的法向和切向变形,应用Xu-Needleman势函数描述虚内键,并在微观势函数基础上直接导出了宏观本构方程。由于脆性材料的抗压强度与微元体的应力状态有关,为了反映这种微元应力效应,依据混凝土三轴抗压强度准则定义了应力效应系数,并将其反映到AVIB本构模型中。对于已有裂纹,采用无厚度单元劈裂法进行建模,避免了网格重划分问题和单独设置接触单元问题。结合AVIB模型与无厚度单元劈裂法,对多裂纹混凝土结构的破坏进行了模拟分析。结果表明,预制裂纹的长度不同,导致结构的主裂纹扩展方式不同。模拟所得的结构破坏模式及荷载-主裂纹口张开位移曲线与相关文献报道结果基本一致,表明了该方法的有效性。由于该文所采用的AVIB本构方程中已蕴涵了混凝土断裂能及三轴强度准则,因而在整个断裂模拟过程中,既避免了外部的断裂准则问题,同时又不需要网格重构及附加自由度,提高了计算效率,为大体积混凝土结构的破坏分析提供了一种简单的可行方法。     

基于虚拟裂缝模型的混凝土等效断裂韧度

本文采用虚拟裂缝模型,将临界裂缝尖端张开位移CTODc作为控制参数,利用三点弯曲梁试件通过迭代求得了混凝土裂缝亚临界扩展量的临界值△a_c,据此求得了混凝土起裂断裂韧度K_Icⁱⁿⁱ、等效断裂韧度K_Ic^un值。计算结果表明,随着试件尺寸的增大,△a_c增大,但K_Icⁱⁿⁱ、K_Ic^un值却是与试件尺寸无关的断裂参数。这表明线弹性断裂韧度准则可应用于混凝土结构的裂缝评定。     

全级配混凝土I型裂缝扩展全过程数值模拟

该文将起裂断裂韧度作为裂缝扩展的判定依据,应用ANSYS软件,对全级配混凝土I型裂缝扩展过程进行数值模拟,分别计算了混凝土楔入劈拉试件的荷载-裂缝口张开位移曲线、临界裂缝长度和双K 断裂韧度,并与溪洛渡大坝的断裂试验结果进行比较,吻合良好。同时,结合试验数据,将该文计算结果与《水工混凝土断裂试验规程》规定的标准尺寸试件断裂参数计算结果进行对比。结果表明：规程规定的方法也适用于大尺寸非标准试件双K 断裂参数的计算,其误差率在5%以内。此外,对于全级配混凝土,只要通过试验测得其弹性模量、抗拉强度、抗压强度和起裂荷载,即可用该文提出的方法计算混凝土的双K 断裂韧度和裂缝扩展全过程。应用该方法还可以得到全级配混凝土的K_R阻力曲线。     

基于虚拟裂缝模型的混凝土断裂过程区研究

利用虚拟裂缝模型对混凝土断裂过程区进行了研究.以无限大板中心拉伸裂缝模型为例,将过程区裂缝张开位移采用多项式级数形式表示,求得了断裂过程区上的位移分布和粘聚力分布.进而分析了材料参数对断裂过程区上的位移、粘聚力、断裂过程区长度以及峰值外荷载的影响.结果表明：断裂过程区上的位移和粘聚力均为非线性分布.断裂过程区长度随骨料最大粒径增大而逐渐增大,随抗压强度增大而逐渐减小.峰值外荷载随骨料最大粒径和抗压强度增大均逐渐增大.     

基于混合单元法的预应力混凝土梁非线性分析

利用共旋坐标法提出了一种预应力钢筋混凝土梁非线性分析的混合单元模型,在随转坐标系内,采用分层梁单元来模拟混凝土结构,带初应变的杆单元来模拟预应力钢筋,预应力钢筋杆元和混凝土梁元的变形协调则通过非线性刚臂来实现,通过刚臂单元两端节点位移和力的关系形成预应力钢筋对混合单元刚度矩阵的贡献,从而导出随转坐标系下预应力混凝土梁考虑材料非线性的切线刚度矩阵,几何非线性则由单元随转坐标系到结构坐标系的转换矩阵及其微分来体现,从而获得结构坐标系下混合单元模型的几何与材料双非线性切线刚度矩阵。数个钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土梁非线性分析算例表明：所提出的混合单元模型能较好地分析预应力钢筋混凝土梁非线性性能,具有一定的实用价值。     

基于Herschel-Bulkley流变模型的自密实混凝土流动的CFD模拟

为研究和预测自密实混凝土在模板中的流动性能,该文使用了一种基于Herschel-Bulkley流变模型的CFD(Computational Fluid Dynamics)模拟方法对自密实混凝土在自重作用下的浇筑过程进行二维和三维模拟并与实验室L型箱流动达到特定位置的流动时间和流动形态进行对比,分析结果表明:H-B模型用于自密实混凝土的流动模拟是可行的,与基于宾汉模型的二维模拟结果相比Herschel-Bulkley流变模型具有更高的准确度。该文最后对二维和三维模拟方法的特点和局限进行了讨论并提出建议。     

预应力对混凝土梁动力特性的影响分析

通过对预应力混凝土梁强迫振动试验与有限元动力分析,得出了预应力混凝土梁的基本动力特性;进一步考察了预应力大小、预应力筋形状和位置对动力特性的影响。结果表明:对于混凝土梁,是否施加预应力和预应力索的位置对频率会产生一定的影响,而预应力大小和预应力索的形状对频率的影响则较小,分析结果有助于结构健康监测和损伤识别。     

基于数字图像的混凝土破坏过程的数值模拟

把混凝土看作是由水泥砂浆为基相,粗细骨料为分散相的复合材料。在细观尺度上,应用数字图像处理技术表征混凝土材料中由骨料的形状、大小和分布对混凝土材料造成的非均匀性,在组成相材料内部细微观尺度上,采用统计方法来描述材料的非均匀性,建立了细-微观尺度耦合分析的混凝土损伤数值模型,模拟了混凝土单轴载荷作用下的破坏过程。数值模拟结果能反映出骨料分布和组成相材料的非均匀性对混凝土力学行为的影响,较好的模拟了混凝土试样从裂纹萌生扩展到宏观裂纹形成的整个破坏过程。