基于混凝土细观骨料模型的SHPB仿真模拟研究

将混凝土视为由粗骨料和砂浆基体组成的双相复合材料,建立了圆柱状三维混凝土细观骨料模型,并将其应用于分离式Hopkinson压杆仿真实验中。通过五种不同梯形载荷的加载计算,得到了试件不同应变率下的应力—应变曲线,并将模拟结果与实验结果进行对比分析。结果表明,使用细观骨料模型可以有效模拟混凝土SHPB实验并反映材料的动态力学性能,而且其宏观破坏形式也与传统的均匀材料模型有所不同,所建立的模型同时为多种非均匀材料的细观数值模拟提供了方便。最后通过几种不同骨料含量和骨料尺寸混凝土模型的计算研究了这两种因素对混凝土动态强度和应力均匀性的影响。     

刚玉骨料超高性能水泥基材料抗侵彻试验和细观数值模拟

混凝土抗钻地武器侵彻能力由基体强度和骨料硬度与粒径共同控制。为了研发具备更高抗侵彻能力的混凝土材料,利用刚玉超高强高硬的特点,将刚玉碎石作为粗骨料,制备出刚玉骨料超高性能水泥基材料(CA-UHPCC)。开展了不同骨料粒径(5~20 mm、35~45 mm、65~75 mm)的CA-UHPCC以及高强混凝土(HSC)靶体的中等口径弹体侵彻试验。通过与前期完成的玄武岩骨料超高性能水泥基(BA-UHPCC)靶体的弹体侵彻试验进行对比,验证了CA-UHPCC较BA-UHPCC和HSC具备更加优异的抗侵彻性能。进一步建立了考虑粗骨料形状随机生成和空间位置随机分布以及粗骨料/砂浆界面层的混凝土三维细观模型,对弹体冲击速度,骨料类型和体积率对混凝土靶体抗侵彻性能的影响进行了细观数值模拟。结果表明,靶体抗侵彻能力随着骨料强(硬)度,粒径和体积率的增大而提高,高强(硬)度和大粒径(大于1.5倍弹径)粗骨料可引起弹体磨蚀和断裂。     

全级配混凝土三维细观模型的建模方法研究

根据混凝土材料细观结构特点,采用混合同余算法生成随机数,模拟混凝土骨料在形状和空间分布方面具有的随机性特点。按照混凝土级配理论,分析了不同级配混凝土细观组成特点,研究了不同粒径骨料的含量和分布规律,提出了一种高效的三维骨料生长和凸性判定算法,研究了骨料生长过程中的形状控制技术,避免了尖角、薄片状骨料的出现;在骨料投放过程中采用综合投放算法,大幅度提高了骨料一次性投放成功率和骨料体积含量,缩短了计算时间。在三维细观有限元网格剖分方面,采用向量判别法,优化了材料属性判定,提高了计算效率。算例表明,该文提出的细观模型,在模拟混凝土静力特性和冲击破坏特性方面具有较高的可靠性。     

三维编织复合材料弹道侵彻准细观层次有限元计算

三维编织复合材料相比于层合复合材料有较高的层间剪切强度和断裂韧性,因而具有更高的冲击损伤容限。用钢芯弹对三维编织复合材料作弹道贯穿测试,得到弹体的入射速度和剩余速度,并考察侵彻破坏模式。目前对三维编织复合材料弹道侵彻性能计算主要建立在连续介质假设上,从真实细观结构计算三维编织复合材料弹道冲击性能尚有一定难度,用三维结构复合材料的纤维倾斜模型在准细观结构层次上分解三维编织复合材料,就其中的一块倾斜单向板作弹道侵彻有限元计算,由弹体动能损失得到贯穿整个复合材料靶体后弹体的剩余速度。有限元计算及与弹道测试结果的比较证明在准细观层次上计算三维编织复合材料弹道冲击性能的有效性。      

基于随机骨料仿真的CRTSⅡ轨道温度场分析

无砟轨道因温度作用产生的损伤会影响高速铁路运营的安全性，所以对其温度场的精确求解是重要的。该文为了获得细观尺度下无砟轨道温度场，基于混凝土随机骨料分布算法以及传热学原理建立细观尺度CRTSⅡ型轨道二维传热有限元模型。通过实测数据验证模型可靠性后，分析细观尺度轨道内部温度场时变规律和空间分布规律，并研究轨道板粗骨料最大粒径和粗骨料分布不均两个因素对轨道板温度场的影响。研究结果表明：不同时刻细观尺度轨道结构温度场随深度非线性变化；在轨道结构中心位置处等温线基本平行于地面，但在局部发生起伏；砂浆内热流方向多指向骨料所在位置，且优先通过粗骨料组成的通道进行传递；粗骨料最大粒径和不均匀分布两因素对轨道板中线不同深度的温度影响几乎可不计。     

基于刚体─弹簧模型的混凝土微裂纹行为模拟

本文在细观上将混凝土看成是由粗骨料颗粒与硬化水泥浆体组成的两相非均质复合材料,以随机颗粒模型代表混凝土的细观结构,研究了一种对随机颗粒模型结构进行全自动网格剖分的方法,采用适宜处理微裂纹行为的刚体一弹簧模型（RigidBodySpringModel）,探讨了预先存在的微裂纹对混凝土性能的影响,建立起混凝土的细观结构与宏观性能之间的关系,同时也对混凝土在拉伸荷载下的裂纹传播行为进行了研究。     

复合材料细观结构三维有限元网格模型的建立

提出了针对颗粒夹杂为椭球形状并呈随机分布的多相复合材料的三维有限元网格的建立方法,为复合材料细观结构研究提供了一种全自动的建模工具。引入了以体积为标度的任意两椭球骨料侵入的判别准则,实现了一种三维随机骨料的投放算法;在基于映射法的颗粒表面有限元网格生成算法中通过扫描线布点和局部连接技术较好地解决了网格极化现象;采用改进的三维AFT方法生成基体的四面体网格,并利用AFT特性一次生成所有颗粒夹杂的四面体网格;为进一步的复合材料细观结构与宏观力学性能的多尺度计算打下了基础。最后用几个算例验证了算法的有效性。     

基于刚体─弹簧模型的混凝土微裂纹行为模拟

本文在细观上将混凝土看成是由粗骨料颗粒与硬化水泥浆体组成的两相非均质复合材料，以随机颗粒模型代表混凝土的细观结构，研究了一种对随机颗粒模型结构进行全自动网格剖分的方法，采用适宜处理微裂纹行为的刚体一弹簧模型（RigidBodySpringModel），探讨了预先存在的微裂纹对混凝土性能的影响，建立起混凝土的细观结构与宏观性能之间的关系，同时也对混凝土在拉伸荷载下的裂纹传播行为进行了研究。     

刚性弹体对素混凝土厚靶侵彻响应的LDPM数值模拟研究EI北大核心CSCD

基于一种新的细观离散元模型Lattice Discrete Particle Model(LDPM),该研究建立了刚性弹侵彻素混凝土厚靶的数值仿真模型。对LDPM基本假设和细观模型构建简单介绍,结合三轴压缩响应曲线,对23 MPa强度素混凝土进行LDPM参数标定。通过对比弹体减速度和侵彻深度试验值,验证数值模型对于混凝土厚靶侵彻问题的适用性。LDPM模拟弹体恒定速度侵彻混凝土厚靶,获得侵彻行程中侵彻阻力变化曲线,结合Forrestal阻力公式得到靶体静态阻应力。仿真结果表明,尖卵形弹头不同CRH值以及侵彻速度对靶体静态阻应力基本没有影响;弹径为最大骨料直径3倍、6倍和8倍的弹体受到靶体静态阻应力分别为260 MPa、175 MPa和163 MPa。该结果对混凝土侵彻缩比实验研究具有重要的实际工程意义。     

刚性弹体对素混凝土厚靶侵彻响应的LDPM数值模拟研究

基于一种新的细观离散元模型Lattice Discrete Particle Model(LDPM),该研究建立了刚性弹侵彻素混凝土厚靶的数值仿真模型。对LDPM基本假设和细观模型构建简单介绍,结合三轴压缩响应曲线,对23 MPa强度素混凝土进行LDPM参数标定。通过对比弹体减速度和侵彻深度试验值,验证数值模型对于混凝土厚靶侵彻问题的适用性。LDPM模拟弹体恒定速度侵彻混凝土厚靶,获得侵彻行程中侵彻阻力变化曲线,结合Forrestal阻力公式得到靶体静态阻应力。仿真结果表明,尖卵形弹头不同CRH值以及侵彻速度对靶体静态阻应力基本没有影响;弹径为最大骨料直径3倍、6倍和8倍的弹体受到靶体静态阻应力分别为260 MPa、175 MPa和163 MPa。该结果对混凝土侵彻缩比实验研究具有重要的实际工程意义。     

Computational homogenization of diffusion in three-phase mesoscale concrete

A three dimensional (3D) mesoscale model of concrete is presented and employed for computational homogenization in the context of mass diffusion. The mesoscale constituents of cement paste, aggregates and interfacial transition zone (ITZ) are contained within a statistical volume element (SVE) on which homogenization is carried out. The model implementation accounts for ITZ anisotropy thereby the diffusivity tensor depends on the normal of the aggregate surface. The homogenized response is compared between 3D and 2D SVEs to study the influence of the third spatial dimension, and for varying mesoscale compositions to study the influence of aggregate content on concrete diffusivity. The computational results show that the effective diffusivity of 3D SVEs is about 40 % greater than 2D SVEs when ITZ is excluded for the SVE, and 17 % when ITZ is included. The results are in agreement with the upper Hashin–Shtrikman bound when ITZ is excluded, and close to the Taylor assumption when ITZ is included.     

Finite element calculation of 4-step 3-dimensional braided composite under ballistic perforation

The ballistic perforation test results of 4-step 3-dimensional (3D) braided Twaron^®/epoxy composites, which were subjected to impact by conically cylindrical steel projectile, are presented. The residual velocities of projectile perforated composites target at various strike velocities were measured and also compared with that from finite element calculation. ‘Fiber inclination model’ for 3D textile composites was adopted to decompose the 3D braided composite at quasi-microstructure level for the geometrical modeling in preprocessor of FEM. The material modeling was also based on this simplified model. The finite element code of Ls-Dyna was used to simulate the impact interaction between projectile and inclined lamina. The residual velocity of projectile perforating the entire 3D braided composite can be calculated from the sum of kinetic energy loss of the projectile that obtained from FEM. From the simulation of ballistic penetration process and comparison between numerical results and experimental results, it proves that the analysis scheme of quasi-microstructure level in this paper is valid and reasonable. The simplified method in this paper could be extended to model other kinds of 3D textile composites under ballistic impact.     

Mesoscale modelling and analysis of damage and fragmentation of concrete slab under contact detonation

It is interesting and important for researchers to understand the damage process in order to reliably predict fragment distribution of concrete material under blast loading. In the present study, a mesoscale concrete model is developed to simulate the dynamic failure process of a concrete slab under contact detonation. In the mesoscale model, the concrete material is assumed to consist of two phases, that is, the high strength coarse aggregates and the low strength mortar matrix, randomly distributed in the structure components. Each coarse aggregate is assumed to be circular with a random radius in a given distribution range following the Fuller's curve. The mesoscale model together with a dynamic plastic damage material model is incorporated into the hydrocode AUTODYN. The dynamic damage process of the concrete slab under contact detonation is numerically simulated. Based on the numerical results, the fragment size distribution is estimated by an image analysis program. Two different random aggregate distributions are assumed in the present simulations. Numerical results from the two different cases are compared, and the results from the mesoscale model are compared with that from the homogeneous concrete material model. The fragment size distributions obtained from numerical simulations are also compared with those from the empirical statistic formulae.     

Towards a realistic morphological model for the meso-scale mechanical and transport behavior of cementitious composites

In this work, we investigate the mechanical and transport properties of cementitious composites using a realistic morphological 3D matrix-inclusion-ITZ model for the mesoscale behavior. Assuming a compression damaged plasticity-based behavior for the matrix phase under quasi-static loading, the model is used to determine the effect of inclusion (aggregate) shape, volume fraction and segregation on the mechanical response of the composite specimen under uniaxial loading. We then use the model to evaluate the effect of the previously mentioned variables as well as aggregate intrinsic permeability on the macroscopic permeability of the same composite specimen using a series of non-conforming FE meshes and level set functions to monitor the heterogenities. The model is then applied to a self-compacting concrete (SCC) with a higher volume of cement paste in order to flow more freely and be formed into complex shapes without shaking. However, this elevated fluidity predisposes SCCs to a higher risk of segregation, i.e. separation between the suspending phase and coarse aggregates, which can affect the mechanical behavior of the composite.     

基于细观结构统计特征的混凝土几何代表体尺寸研究

该文在对混凝土细观结构统计特征深入研究的基础上,基于粗骨料含量、平均粒径、细度模数三个量的统计特征分析,给出了混凝土几何代表体的定义。利用体素的概念,提出了混凝土几何代表体尺寸的确定方法。以一级配混凝土为例,采用该文方法计算得到了基于细观结构的几何代表体尺寸。进一步分析了骨料级配、骨料体积含量等因素对混凝土几何代表体尺寸的影响规律,研究结果表明:随着骨料体积含量的增加,混凝土几何代表体尺寸呈下降趋势;在粗骨料体积含量达到40%以后,几何代表体尺寸变化幅度较小;一级配混凝土的几何代表体尺寸与最大骨料粒径的比值大于二级配混凝土的相应值。该文工作为混凝土细观机理研究、细观数值计算样本的选取等提供参考。     

粗骨料对沥青混凝土开裂阻力影响分析

沥青混凝土是典型的非均匀材料,在进行力学分析时通常是将其视为均匀、各向同性体,但是理论分析结果很难与实际相符合。同时均质化假设也很难解释含大粒径骨料的沥青碎石作为防裂层的抗裂性能优于小粒径沥青混凝土的现象。笔者通过在均质的沥青混凝土引入一个粗骨料,应用断裂力学平面有限元程序系统地分析了粗骨料对沥青混凝土抗裂性能的影响,分析结果可以较好地解释大粒径沥青混凝土的抗裂性能优于小粒径沥青混凝土的机理。因此,使用大粒径骨料沥青混泥土能够改善路面的使用寿命。     

方钢管玄武岩纤维再生混凝土短柱偏压性能研究

为研究方钢管玄武岩纤维再生混凝土短柱的偏压性能,以再生粗骨料取代率、玄武岩纤维掺量、再生混凝土强度等级、偏心距为变化参数,设计并制作8个短柱试件,进行偏压静力加载试验.观察了试件破坏过程及形态,获取了荷载-位移、荷载-应变等重要关系曲线.分析了设计参数对试件承载力的影响趋势,建立了试件偏心受压的有限元分析模型,并建议了...     

多因素对再生混凝土力学性能及抗冻性的影响

为研究不同因素、不同水平对再生混凝土力学性能的作用。该文通过正交试验研究钢纤维掺量、再生粗骨料掺量和粉煤灰掺量对再生混凝土力学性能(抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度)的影响,确定各因素对再生混凝土力学性能的影响程度,并加以量化表征,并提出多因素共同作用下再生混凝土力学性能的多元非线性回归模型且进行验证。在此基础上,该文进一步研究再生混凝土的抗冻性。结果表明:再生混凝土的力学性能随钢纤维掺量的增加而提高;随粉煤灰掺量增加而降低;再生粗骨料掺量对再生混凝土的力学性能影响较小。钢纤维的掺入可提高再生粗骨料的掺量。再生混凝土力学性能的实测值与通过建立的回归模型得到的计算值的最大误差在6.5%以内。此外,钢纤维的掺入和减少再生粗骨料的掺量均可以提高再生混凝土的抗冻性。     

集料-基体协调性对混凝土强度影响的试验研究

研究了集料-基体两相协调性对混凝土强度的影响.试验研究了碎石、钢、砂浆、陶粒和加气混凝土5种强度差异较大的集料在3种不同强度等级基体下的混凝土抗压强度及其发展规律.研究结果表明粗集料和砂浆基体对混凝土抗压强度影响十分显著.在基体强度一定时,粗集料强度达到一定程度后再增加对提高混凝土强度作用不大;当集料强度比基体强度低时,单纯通过增大基体强度来提高混凝土强度效果不明显;集料与基体的差异对强度发展规律和混凝土绝对强度有很大影响.只有在两者相互协调的基础上,才能充分发挥集料和基体的作用.