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。     

@编辑部

<正>媒体重头文章概览《土木建筑与环境工程》06/2012用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,提出了一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。     

单轴拉压状态下混凝土破坏的细观数值演化分析

在提出可同时满足级配曲线及指定骨料填充率的任意凹凸形骨料配置算法的基础上,建立了混凝土试件的细观随机骨料模型,并建立了空间应力环境下细观单元的弹性损伤本构关系;分别就工程中常采用的两种不同的混凝土强度,研究了混凝土试件的细观损伤演化过程及细观单元力学参数取值对混凝土试件宏观表征强度的影响。数值算例验证了模型的有效性,并揭示出混凝土试件破坏主要是由细观单元的拉伸损伤积累所导致的。     

一种考虑裂缝扩展路径的混凝土细观数值模拟方法

文章提出一种能够考虑混凝土裂缝扩展过程中绕过骨料或穿过骨料发展的细观数值模拟方法。首先,回顾了用于类混凝土材料I-型断裂分析的自洽有限应力模型的基本原理;进而,采用有限元分析方法,从局部能量等效和宏观力学等效两个维度验证了基于自洽有限应力原理建模和常规建模之间的等效性;最终,发展了基于自洽有限应力原理和细观裂缝扩展路径准则的数值模拟方法,在细观尺度上实现模拟混凝土裂缝绕过骨料发展和穿过骨料发展等细观断裂破坏行为。文章研究成果可为后续发展基于细观尺度断裂破坏准则的高效数值分析方法奠定基础。     

混凝土细观分析的研究现状

介绍了混凝土细观力学分析方法,即混凝土数值模拟和CT试验研究,数值模拟详细分析讨论了随机骨料模型、格构模型、随机力学特性模型、统计细观损伤力学模型、离散元模型等5种细观力学数值模型的特点以及高性能并行计算作用及实现.考虑到国内医用CT试验只能进行一级配混凝土试件拉、压破坏试验,对二级配混凝土只能进行拉伸破坏试验,因此对多级配混凝土进行细观分析.必须与工业CT结合,将可以完成拉伸、压缩、动力试验,为混凝土的细观研究提供了另一条路径.     

二维混凝土骨料随机生成与投放算法及程序

混凝土细观结构的多相性、不均匀性很大程度上控制了其细观尺度上的损伤演变机制及宏观尺度上的力学特性。粗骨料是混凝土的重要组成部分,其几何模型是开展混凝土细观力学研究的基础。建立一个能反映实际混凝土级配、含量等信息的粗骨料几何模型,对混凝土细观结构数值模拟有重要意义。本文提出了基于实数解的椭圆形随机骨料干涉判断方法和基于圆形骨料边延拓的凸多边形随机骨料生成方法,进而得到圆形、椭圆形与凸多边形3种不同形状的二维全级配混凝土骨料随机生成与投放算法,编制了界面友好的交互式程序。数值算例显示了3种不同形状的二级配、三级配与四级配混凝土骨料的生成与投放效果。结果显示,该算法提高了骨料的随机生成与投放效率,改进了程序的可执行性。     

基于细观力学的混凝土数值模拟研究进展(一)

混凝土是一种应用十分广泛的结构工程材料,材料组分复杂、变化因素多,因而其物理力学特性也是复杂多变。宏观角度的研究,忽略了其内部复杂的细观结构,难以揭示材料变形和破坏的物理机制、建立精确的本构模型。混凝土细观力学研究方法从细观尺度入手,建立混凝土细微观结构各种缺陷及其特性的不均匀性与宏观力学特性的关系,更好地揭示了诸多因素对混凝土力学性能的影响。介绍了混凝土细观力学的研究方法,总结了截至目前在细观层次上对混凝土数值模拟的研究成果,分析了格构模型、随机粒子模型和随机骨料模型等模型的优缺点。指出了今后有待于进一步研究的问题。     

混凝土强度对劈拉强度尺寸效应影响的数值研究

为研究混凝土强度对劈拉强度尺寸效应的作用机理，创建混凝土细观力学分析模型，开展劈裂拉伸数值模拟，探讨混凝土强度对劈裂拉伸尺寸效应等宏观力学特性的影响，研究结论如下：（1）劈裂裂缝位于集中荷载作用线上，数值模拟的损伤模式和破坏强度与劈裂拉伸试验结果相吻合；（2）劈裂抗拉强度尺寸效应受混凝土强度的影响，强度等级越低，尺寸效应越不显著。     

基于细观力学混凝土研究综述

以往主要是基于宏观层次对混凝土进行研究,不能很好地解释说明混凝土材料的损伤和破坏的真正原因。自1985年Roelfstra等学者将"细观"一词引用到混凝土材料以来,人们开始将混凝土视为骨料、砂浆及粘结界面组成的三相复合材料,依此对其展开研究。综述了目前基于细观力学混凝土研究的现状,重点介绍了混凝土细观力学模型研究和细观数值模拟研究,并在文末提出了今后混凝土细观数值模拟研究有待进一步提高的地方。     

花岗岩细观破裂特征及宏观尺度效应的颗粒流研究

基于颗粒流方法,提出可变半径比例Clump结构的构建方法,分析颗粒流细观参数及细观结构特征对模拟岩石试件拉、压特性的影响规律,构建适用于花岗岩力学特性的Clump颗粒流结构模型,验证可变半径比例Clump结构及细观力学参数的可靠性;构建不同尺度的深部洞室颗粒流模型,分析深部围岩宏观破裂的尺度效应。研究表明,Ball和Clump模型的拉压比对细观力学参数变化的敏感度小,可变半径比例Clump模型的力学特性对粒径尺寸及比例变化的敏感度大;对比分析花岗岩室内试验与数值模拟的拉、压强度曲线及破裂模式,基于可变粒径比例的Clump计算模型与试验结果基本吻合;采用小尺度颗粒模型的深部围岩宏观破裂区主要以局部区域破碎为主,随着颗粒模型尺度逐渐增大,围岩表现出明显的剪切滑移及板裂破坏特征,构建的深部围岩颗粒流模型具有明显的宏观破裂尺度效应。