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.     

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。     

钢纤维混凝土细观二维建模与数值研究

提出了二维随机凹凸型碎石骨料生成方法,应用ANSYS/LS-DYNA模拟了数值骨料和钢纤维随机碰撞,得到钢纤维混凝土细观二维几何模型和有限元模型。基于双折线弹性损伤演化本构模型,模拟了素混凝土和钢纤维混凝土数值试件在单轴拉伸荷载下的损伤过程。研究结果表明:素混凝土数值试件的破坏模式与真实素混凝土破坏模式比较接近,掺入钢纤维会改变裂纹扩展的路径;钢纤维混凝土二维模型中,裂纹萌生位置和扩展路径影响钢纤维对混凝土的增强增韧效果。     

基于细观力学模型的混凝土温度裂缝研究

建立了混凝土的细观力学模型,考虑骨料、砂浆和界面的3相组成,利用Weibull概率分布对各相材料的力学参数进行随机赋值,体现出材料的细观特征和不均质特性.基于混凝土弹脆性损伤模型,对混凝土开裂进行数值模拟,以单轴压缩和3点弯曲梁实验对该方法进行了验证,同时提出了通过宏观性质演算细观参数的方法,最后,模拟了寒潮工况下早龄期混凝土在不同保温条件下的开裂.结果表明:该方法能较好地模拟混凝土材料中微裂纹的萌发和扩展,能较好地反应混凝土材料在温度荷载下开裂的全过程.     

混凝土拉压强度尺寸效应的细观非均质机理

为了从材料细观非均质角度揭示混凝土强度尺寸效应机理,建立了混凝土细观单元等效非均质力学模型,开展了立方体抗拉、抗压强度尺寸效应细观数值模拟研究。研究结果表明：混凝土强度尺寸效应根源于材料细观非均质性,随着模型尺寸的增加,混凝土材料细观单元弹性模量变异系数增大,材料细观非均质性增强,大尺寸模型内部存在更多的低强度单元或缺陷,导致混凝土立方体抗拉、抗压强度降低,极限应变减小,脆性增大;混凝土损伤破坏由少量集中区域,发散扩展形成多条非贯通的裂纹带;数值模拟结果与尺寸效应实验数据相吻合。     

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。     

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。     

火灾下隧道衬砌混凝土细观损伤演化

为了客观地反映火灾下衬砌混凝土高温损伤的本质,需要考虑混凝土结构特性的不均匀性.结合细观损伤力学,建立混凝土热力耦合作用下衬砌混凝土细观损伤过程的数值模型,该模型考虑了隧道衬砌结构顶部的受力状态,可以研究隧道衬砌混凝土在火灾过程中的力学行为与损伤过程.研究结果表明,火灾对隧道衬砌混凝土的力学性质和损伤演化过程影响显著,界面的力学特性决定宏观强度的差异;基于强度等效理论,隧道衬砌混凝土在RABT火灾荷载下的累积等效烧损深度呈曲线变化;细观数值模拟下损伤单元比例与等效烧损深度存在较好的线性关系.     

全级配混凝土细观力学网格划分的单元切割法与等效弹模的计算

混凝土细观力学是研究混凝土材料性质的重要方法之一.首先,采用被占区域剔除法生成骨料,该方法能较快地完成高含量骨料的混凝土细观力学模型生成.然后,针对目前混凝土细观力学网格剖分的难题,提出了单元切割法,解决了全级配高含量骨料有限元网格剖分的难题,并且所产生的网格单元形状比较规则均匀.最后编写了三维细观混凝土试件等效弹模的数值计算程序.算例给出了湿筛二级配、三级配以及全级配混凝土的细观力学模型,并将单元切割法产生的网格应用于混凝土细观力学等效弹模的计算,数值计算结果与其他数学方法的结果接近,表明该方法具有较好的实用性.     

基于改进RSA法的混凝土单轴拉伸细观力学数值模拟

为了研究混凝土骨料的细观破坏情况,基于随机顺序吸附（Random sequential adsorption,RSA）法来构筑任意形状骨料,该方法不仅生成骨料形状随机,而且骨料含量高、计算速度快,尤其可以避免骨料重叠性判断运算中的重复性计算。在混凝土基体与颗粒之间、混凝土基体单元之间批量插入黏性单元,对3个不同二级配混凝土模型的单轴拉伸过程进行数值模拟,并绘制其应力-应变曲线,揭示了混凝土破坏的细观力学机理,为深入开展混凝土材料的研究提供了参考。     

橡胶混凝土受压破坏机理的余能基面力元分析

建立橡胶混凝土二维混合随机骨料模型，基于余能原理基面力元法对橡胶混凝土的细观力学性能进行分析，获得了应力-应变曲线图、破坏过程图和最大主应力、应变云图，模拟了橡胶混凝土破坏过程，分析了橡胶混凝土受压破坏机理，并探究了橡胶颗粒的不同粒径及掺量对橡胶混凝土抗压强度的影响。结果表明，抗压强度随着橡胶掺量的提高，明显降低。相同掺量下，采用大粒径的橡胶颗粒可以使抗压强度略有提高。破坏最开始发生于橡胶颗粒较为密集区域，故而在配置橡胶混凝土时应尽量将橡胶颗粒分散均匀。该模型为分析并预测橡胶混凝土的细观力学性能提供了新方法。     

混凝土CT图像的3维重建技术

利用三维图像处理软件MIMICS对原始的CT图像进行预处理,对混凝上的真实细观结构进行了三维重建,并导入大型商业有限元软件ANSYS中,建立了更能准确表征混凝上细观非均质性的三维有限元数值模型,从而弥补了传统随机混凝土骨料模型的不足。利用重建的三维有限元数值模型进行了混凝土破损过程的细观数值模拟,并与其他有限元模型的分析结果进行了比较,验证了模型的合理性。通过建立 的接近实际的混凝土细观三维有限元数值模型,可对混凝土材料的细观破损过程进行了深入的探索。     

混凝土材料的细观结构数值模拟与性能分析

在细观上将混凝土看作是由粗骨料、水泥砂浆和界面三相介质组成的复合材料,根据体视学原理并应用蒙特卡洛方法模拟出混凝土的二维圆形骨料分布;应用理论公式计算出界面厚度,并将界面看作是包围在骨料外面的一层圆环,在细观上模拟生成混凝土的三相组成;基于骨料随机模型,应用有限单元法提出了混凝土稳态氯离子扩散系数的计算方法并与试验结果进行了对比。结果表明,该模型用于计算混凝土稳定氯离子扩散系数是有效的。     

老砂浆对再生混凝土力学性能影响模拟试验

再生混凝土和普通混凝土的内在区别主要在于老砂浆的存在与否,为了能够准确把握再生混凝土的力学性能和影响因素,从老砂浆入手,研究其强度、含量和分布特点。将原始混凝土剔除骨料制备成砂浆试块,并研究其力学性能,将原始混凝土破碎制成再生粗集料并制备成再生混凝土,研究其力学性能和破坏形态,并根据切割断面研究再生集料中老砂浆含量和分布,分析老砂浆对再生混凝土力学性能的影响。     

基于预插粘性界面单元的全级配混凝土梁弯拉破坏模拟

为确定预插粘性界面单元法模拟全级配混凝土梁在弯拉荷载作用下断裂破坏过程的有效性和适用性,基于粘结裂缝模型的基本原理,在混凝土梁的中心区域采用Monte—Carlo法生成随机骨料模型,通过自编程序实现了砂浆单元间和界面处粘性界面单元的预插,对全级配细观混凝土梁的弯拉断裂破坏过程进行数值模拟,模拟结果与相关文献结果吻合良好。研究结果表明：预插粘性界面单元法能够有效地模拟细观混凝土材料的弯拉断裂破坏过程和宏观力学特性。     

Improved parameter selection method for mesoscopic numerical simulation test of direct tensile failure of rock and concrete

In order to numerically simulate the failure process of rock and concrete under uniaxial tension, an improved method of selecting the mechanical properties of materials was presented for the random mechanic parameter model based on the mesoscopic damage mechanics. The product of strength and elastic modulus of mesoscale representative volume element was considered to be one of the mechanical property parameters of materials and assumed to conform to specified probability distributions to reflect the heterogeneity of mechanical property in materials. With the improved property parameter selection method, a numerical program was developed and the simulation of the failure process of the rock and concrete specimens under static tensile loading condition was carried out. The failure process and complete stress-strain curves of a class of rock and concrete in stable fracture propagation manner under uniaxial tension were obtained. The simulated macroscopic mechanical behavior was compared with the available laboratory experimental observation, and a reasonable agreement was obtained. Verification shows that the improved parameter selection method is suitable for mesoscopic numerical simulation in the failure process of rock and concrete.     

A multiphase mesostructure mechanics approach to the study of the fracture-damage behavior of concrete

A multiphase mesostructure mechanical model is proposed to study the deformation and failure process of concrete considering its heterogeneity at the meso scopic level. Herein, concrete is taken as a type of three-component composite material composed of mortar matrix, aggregates and interfaces on the meso-scale. First, an efficient approach to the disposition of aggregates of concrete and a state matrix method to generate mesh coordinates for aggregates are proposed. Secondly, based on the nonlinear continuum damage mechanics, a meso-scale finite element model is presented with damage softening stress-strain relationship for describing the mechanical behavior of different components of concrete. In this method, heterogeneities of each component in the concrete are considered by assuming the material properties of three components conform to the Weibull distribution law. Finally, based on this multiphase meso-mechanics model, a simulation analysis of fracture behavior of a rock-fill concrete (RFC) beam is accomplished. The study includes experimental tests for determining basic mechanical parameters of three components of RFC and four-point flexural beam tests for verification of the model. It is preliminarily shown that the numerical model is applicable to studying failure mechanisms and process of concrete type material.     

锈蚀钢筋再生混凝土梁力学性能试验研究及ANSYS分析

通过对钢筋通电加速锈蚀的方法,对12根不同钢筋锈蚀率下粗骨料取代率为100%再生混凝土梁的三分点加载试验,分析相同强度条件下不同钢筋直径和锈蚀率的再生混凝土梁力学性能的影响。结果表明：当钢筋锈蚀率小于10%时,钢筋与再生混凝土的粘结强度足以保证两者能够共同工作,此时试验梁发生材料强度破坏模式;当钢筋锈蚀率超过了10%时,钢筋与再生混凝土的粘结强度不足以保证两者共同工作,此时试验梁发生粘结失效破坏模式。基于ANSYS有限元软件对不同钢筋锈蚀率的再生混凝土梁进行模拟分析,并对锈蚀钢筋再生混凝土梁跨中截面的荷载应力关系曲线进行验算,通过有限元结果与试验结果对比,验证了有限元分析模型的可靠性。     

A multiphase mesostructure mechanics approach to the study of the fracture-damage behavior of concrete

A multiphase mesostructure mechanical model is proposed to study the deformation and failure process of concrete considering its heterogeneity at the meso scopic level. Herein, concrete is taken as a type of three-component composite material composed of mortar matrix, aggregates and interfaces on the meso-scale. First, an efficient approach to the disposition of aggregates of concrete and a state matrix method to generate mesh coordinates for aggregates are proposed. Secondly, based on the nonlinear continuum damage mechanics, a meso-scale finite element model is presented with damage softening stress-strain relationship for describing the mechanical behavior of different components of concrete. In this method, heterogeneities of each component in the concrete are considered by assuming the material properties of three components conform to the Weibull distribution law. Finally, based on this multiphase meso-mechanics model, a simulation analysis of fracture behavior of a rock-fill concrete (RFC) beam is accomplished. The study includes experimental tests for determining basic mechanical parameters of three components of RFC and four-point flexural beam tests for verification of the model. It is preliminarily shown that the numerical model is applicable to studying failure mechanisms and process of concrete type material.