大坝混凝土非连续变形的并发多尺度区域分解法

大坝混凝土的裂缝萌生和失稳扩展分析需要尽可能准确地模拟骨料和砂浆界面的弱不连续，而界面过渡区微米级的厚度模拟使得有限元网格存在网格剖分质量不佳和网格数量庞大的问题。通过在大坝混凝土细观结构的不同材料实体单元间预嵌零厚度界面单元，并进行宏细观子区域界面节点重新匹配，建立了骨料-砂浆-界面单元的宏细观区域分解有限元网格。同时结合隐式梯度损伤模型和内聚力模型，在同一模型中实现骨料、砂浆基质的损伤失效模拟及骨料-砂浆界面的弱连接到脱开模拟，构建了大坝混凝土非连续变形的宏细观并发多尺度区域分解模型。将模型用于某大坝混凝土的直接拉伸试验模拟，不同随机骨料模型均能捕捉骨料和砂浆界面的弱连接到脱开过程。重现的混凝土试件破坏形态与已有研究结果一致，证明了模型的合理性。本研究可为大坝混凝土损伤断裂力学性能的数值试验提供技术支持。     

混凝土三维细观力学模型分析

混凝土的级配及骨料含量对其宏观力学特性有直接影响,选择合适的骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟的前提,在三维随机凸多面体骨料模型的基础上选择合适的试件模型并进行有限元剖分,利用并行计算技术分别对湿筛混凝土试件三维球形骨料和凸多面体骨料细观模型进行了静载弯拉破坏数值模拟对比计算.计算结果表明,三维凸多面体骨料生成算法是可行的,能够满足混凝土三维细观力学模拟的需要.     

碾压混凝土细观结构力学性能的数值模拟

本文在细观层次上将碾压混凝土看成是由硬化水泥粉煤灰砂浆体、粗骨料颗粒及二者间的粘结带构成的两相非均质复合材料，以随机骨料模型代表碾压混凝土的细观结构，采用有限元技术模拟了劈拉试件的开裂过程，所得碾压混凝土的劈拉强度与试验结果基本吻合。为碾压混凝土破坏机理的研究、碾压混凝土力学性能的数值模拟提供了新的技术途径。     

混凝土随机凸多面体骨料模型生成及细观有限元剖分

混凝土的级配及骨料含量对其宏观力学特性有直接的影响，适当的随机骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟分析的前提和基础。本文针对全级配大坝混凝土的高骨料含量的要求，给出了一种高效率生成随机球骨料模型的方法。并在随机球骨料模型的基础上，形成随机凸多面体骨料模型。同时，研究了细观单元属性判别方法，编制了对含有凸多面体骨料的细观区域进行结构性有限元网格剖分程序。本文给出的三维随机骨料模型算法不但考虑混凝土的骨料的实际级配和含量，而且计及了骨料的实际形态。     

三级配混凝土劈拉强度二维细观数值模拟

为从细观结构上研究混凝土劈裂抗拉强度,通过自编程序建立混凝土细观模型,采用混凝土损伤塑性模型描述细观各相材料的损伤演化。利用有限元技术数值模拟三级配混凝土试件的细观损伤断裂和劈裂抗拉强度,探讨了不同骨料分布、骨料形状、垫条宽度及界面厚度对劈裂抗拉强度的影响。结果表明:不同骨料分布和骨料形状对劈拉极限强度略有影响,但数值模拟结果均在试验统计范围内,且与文献资料中给定的试验结果相符。按照现行试验规程选取垫条宽度时,可以有效地缓解加载部位应力集中现象,使劈拉强度接近真实混凝土强度。骨料粘结界面厚度越小,混凝土劈拉极限强度越高。     

混凝土圆柱体试件劈拉性能数值模拟

为从细观层次上研究混凝土的劈拉力学性能,运用不同的三维随机骨料模型模拟混凝土中粗骨料,利用非线性有限元方法对混凝土劈拉细观损伤断裂进行数值模拟。结果表明:裂纹最先起裂于界面,随后扩展至砂浆直至整个试件断裂破坏,数值分析结果与试验结果基本吻合,所采用的数值分析方法在模拟混凝土劈拉力学性能时具有较高的可靠性。     

混凝土梁四点弯曲试验的并发多尺度区域分解法模拟

损伤在准脆性混凝土材料的非线性力学特性中占有重要地位。但有限单元法计算采用局部损伤模型时存在网格敏感性和零能耗问题。同时,传统单一网格有限元模型难以对构件的线弹性区域和非线性区域进行区别处理,无法将有限的计算资源集中在重点关注区域。通过局部子区域预设高精度有限元网格和引入尺度间线性多点约束法,实现并发多尺度方法和整体有限元撕裂对接法的结合,采用隐式梯度损伤模型描述混凝土材料的非线性本构关系,运用双重组装并行直接求解法进行模型的大型线性方程组求解,完成了混凝土损伤失效分析的并发多尺度区域分解模型构建。将该模型用于混凝土单边切口梁的四点弯曲试验模拟,并对可能损伤的纯弯拉区域分别采用了3种不同尺寸的有限元网格计算。算例分析表明,模型合理可靠且不具网格敏感性,能够重现混凝土的损伤失效全过程,可为混凝土构件开展损伤失效全过程分析提供多尺度数值模拟技术支持。     

三级配混凝土二维随机多边形骨料模型数值模拟

为了研究混凝土的细观力学性能,利用MATLAB自编程序建立混凝土多边形随机骨料模型,采用最大限定边长和最小限定边长控制多边形骨料生成,并将随机骨料模型导入Comsol软件,建立混凝土细观模型,最后对三级配混凝土轴拉破坏进行数值模拟分析。分析结果表明,该混凝土细观模型算法合理可靠、简单易行,数值计算结果与宏观混凝土轴拉试验结果相符。可为混凝土的非线性有限元分析及力学性能试验改进提供理论依据。     

混凝土试件细观结构的数值模拟

本文将常用混凝土级配曲线与三维富勒级配曲线作了对比分析，从而为基于瓦拉文公式的随机骨料模型对试件内截面进行细观结构的数值模拟提供了依据。在此基础上，采用双折线损伤演化模型描述混凝土细观各相弹性损伤退化，利用有限元方法进行了混凝土湿筛试件、全级配试件单轴受压和全级配混凝土三分点梁弯拉细观结构数值模拟。通过单轴受压数值试验讨论了同一级配不同骨料分布、有限元单元尺寸及试件尺寸对极限荷载计算结果的影响。结果显示：(1)同级配不同随机骨料分布的影响在试验结果统计范围之内；(2)为了充分反映混凝土细观特性的非均性，单元尺寸应小于最小骨料粒径的三分之一；(3)湿筛试件与全级配试件数值模拟结果验证了试件的尺寸效应。在全级配混凝土三分点梁弯拉试验的模拟计算中，讨论了界面单元、固化水泥砂浆基底强度及损伤参数对计算结果的影响。通过细观结构数值模拟，直观显示了混凝土试件单轴受压和三分点梁抗弯曲试验在不同加载阶段微裂缝产生、扩展直至失稳的过程，及其宏观应力-应变曲线的变化情况。基于有关文献资料给定的混凝土各相参数得到的数值模拟结果与试验统计结果相符。     

一种混凝土随机凸多边形骨料模型生成方法

混凝土的级配及骨料含量对其宏观力学特性有直接的影响。适当的随机骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟分析的前提和基础。本文首先讨论了瓦拉文公式的推导过程，分析了骨料分布和形态的随机特性，按照骨料切面几何图形面积等效的原则，将瓦拉文公式推广应用于确定二维混凝土试件截面凸多边骨料分布。研究了点与多边形及多边形与多边形的贯穿和侵入的几何关系，编制了凸多边形生成程序和细观有限元剖分程序。全级配混凝土梁三分点加载弯曲数值试验显示了所编程序的正确性。     

混凝土三维随机参数化骨料模型

在三维情形下,基于参数曲面的自由变形技术,将混凝土骨料及黏结界面,用确定的、形式统一的参数方程予以表示,建立了混凝土随机参数化骨料数学模型;以骨料为卵石的混凝土为例,给出了级配、配合比等都可控制的骨料含量超过50%的随机混凝土数值试样,提出了用参数映射法对试件进行有限元网格剖分的方法。该数学模型较好地描述了骨料、砂浆与黏结界面组成的三维三相复合结构形式,为进一步在细观层次上研究和确定混凝土的动力学性能打下了基础。     

基于细观层次的混凝土随机骨料建模

在细观层次上,将混凝土视为由骨料、砂浆和二者之间的界面层构成的三相复合材料,而界面层是混凝土的最薄弱环节,也是混凝土抗拉强度低的主要原因。基于MATLAB软件生成圆形、多边形和椭圆形3种随机骨料模型,并生成一定厚度的骨料界面层,结合有限元软件ABAQUS划分界面层单元,建立二维混凝土细观数值模型。通过算例表明骨料投放算法简单,模型真实可靠。通过引入界面层并对其进行网格剖分,对多边形骨料模型进行单轴拉伸试验,得到的应力-应变曲线基本符合宏观混凝土单轴拉伸试验结果,为后续研究混凝土的损伤断裂机理提供了数值模拟基础,并且有效地解决了MATLAB,AUTOCAD和有限元软件之间的接口问题。数字模拟生成的多边形骨料分布情况占有率与真实骨料最接近,可用作混凝土的损伤断裂机理分析。     

基于随机骨料模型的混凝土弹性模量预测研究

为确定混凝土的弹性模量,基于细观层次假定混凝土是由骨料、砂浆和两者之间的粘结界面组成的三相复合材料,借助蒙特卡罗方法和瓦拉文公式,在二维平面上建立了随机骨料模型。通过有限元法预测混凝土的弹性模量,并将数值计算结果与试验结果进行比较,验证了该细观有限元模型的有效性。在此基础上研究了混凝土各细观组成成分的弹性模量、骨料体积率、骨料最大粒径、骨料级配、界面厚度以及孔隙等因素对混凝土弹性模量的影响规律。结果表明:在混凝土的各细观组成成分中,砂浆弹性模量对混凝土弹性模量的影响最大;连续级配的混凝土弹性模量在相同条件下大于间断级配的混凝土;孔隙的存在以及界面层厚度的增大均会使混凝土的弹性模量减小。研究结果为混凝土配合比的设计及力学性能的优化提供参考。     

基于细观层次的轻骨料混凝土压缩破坏及端面效应数值模拟

为探索轻骨料混凝土力学性能及破坏规律,采用细观数值模拟方法,将轻骨料混凝土看作由球形轻骨料颗粒与砂浆基质组成的两相非均质复合材料,建立三维随机骨料模型,模拟轻骨料混凝土单轴抗压破坏过程,研究分析加载端面约束效应对其裂纹扩展及材料力学性能的影响。研究结果表明：(1)与普通混凝土相比,轻骨料混凝土压缩破坏时,裂纹最先发生在轻骨料处,且裂纹会直接贯穿轻骨料进行延伸;(2)加载端面无约束试件最终形成轴向劈裂破坏,有约束试件最终形成倒锥形破坏;(3)加载端面无约束试件的抗压强度与峰值应变相对于有约束试件分别降低了29.6%、45.5%。该模型及模拟结果为传统宏观试验的不足提供了有效补充。     

基于三维细观结构轻骨料混凝土力学性能的数值模拟

为了从细观结构上研究轻骨料混凝土的破坏机理,利用SCDM软件提出了一种新型划分网格技术,建立了三维细观结构的轻骨料混凝土有限元模型。模拟了轴心抗压与劈裂抗拉试验破坏过程,并与试验结果进行对比分析。计算结果表明:轴心抗压与劈裂抗拉强度的计算值与试验值的误差均在3.5%以内。在轴心抗压模拟试验过程中,裂纹最先出现在轻骨料处,表明轻骨料是轻骨料混凝土材料的薄弱环节,随着荷载进一步加大,最终形成了一个有两个对顶的锥形界面。在劈裂抗拉模拟试验过程中,裂纹也是最先出现在轻骨料处,随着载荷的增大,最终形成了一条宽大的主裂纹,且与主拉应力相垂直。与试验结果对比分析表明,本文提出的模拟方法,可以很好地模拟轻骨料混凝土静力学性能。     

混凝土劈裂抗拉力学性能的细观数值研究

采用随机骨料模型模拟混凝土的细观结构,在细观层次上将混凝土看成是由硬化水泥砂浆体、粗骨料颗粒及二者间的黏结带构成的三相非均质复合材料。利用有限元方法数值模拟混凝土试件的细观损伤断裂和劈裂抗拉,并对其劈裂抗拉破坏进行了研究。结果表明:骨料与砂浆的界面是混凝土劈裂抗拉破坏的薄弱环节,所采用的数值模拟计算方法基本可行。     

粗粒料非线性模型(hhu-KG)的有限元实现及工程应用

介绍了一种可以考虑剪胀效应、中主应力影响以及强度非线性的粗粒料非线性模型(hhu-KG模型)。在次弹性理论的基础上将其扩展为一般应力空间中的应力应变关系,并基于土石坝静动力流固耦合可视化分析软件平台开发了该模型的有限元计算程序。采用该模型和邓肯E-B模型对某面板堆石坝进行了三维有限元数值模拟,并对两种模型的模拟结果进行了对比分析。结果显示,相较于邓肯E-B模型,hhu-KG模型计算所得到的最大沉降值与最大面板挠度值略小,而最大顺河向位移值略大,但是两种模型计算所得的坝体与面板变形分布规律大致相同,且符合工程的一般规律,验证了基于次弹性理论推导的刚度系数矩阵的合理性,同时也说明了hhu-KG模型在土石坝静力有限元分析中的适用性。研究成果为粗颗粒土在土石坝的应用提供参考。