基于ANSYS的混凝土微观层次开裂演化数值模拟

将由富勒曲线所确定的三维混凝土骨料级配曲线转化为二维骨料级配曲线,结合蒙特卡罗方法,确定了混凝土骨料颗粒数,编写了混凝土二维随机椭圆形骨料模型生成程序,在有限元软件ANSYS中模拟了混凝土的骨料、砂浆以及二者之间界面的二维三相组分.在所建立的模型的基础上对混凝土材料在外荷载作用下裂纹的扩展、贯通以及破坏的过程进行了开裂演化模拟.结果表明:骨料和砂浆间的界面层是混凝土的薄弱环节,界面层在数值模型中的模拟、界面单元参数的确定和破坏准则的选取是数值模拟能否成功的关键;在混凝土的破坏过程中先是混凝土界面单元破坏,然后裂纹沿着骨料的边缘进一步发展.并形成贯通,直至失稳破坏,与物理试验的结果保持了一致.     

考虑端部摩擦约束的混凝土SHPB试验细观数值模拟

利用大型有限元软件LS-DYNA建立了包含骨料、砂浆和界面过渡区(ITZ)的三相混凝土细观数值模型,并将端部摩擦约束加入模型中。模拟再现了混凝土试件的破坏过程,且模拟的应力-应变曲线与试验吻合较好。模拟结果还发现:在考虑了端部摩擦效应后,混凝土抗压强度有一定的提高,摩擦效应有效地抑制了裂纹的开展。     

基于细观损伤的混凝土破裂过程的三维数值模拟

在细观力学基础上将损伤力学和计算力学相结合来分析混凝土试件的变形、损伤和破坏过程。把混凝土简化成由骨料、砂浆及其二者之间的界面层所组成的三相复合材料,在已建立的混凝土骨料随机分布三维模型基础上用界面单元多次细分技术进行有限元网格划分,基于弹性损伤本构关系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,用弹性模量的折减程度来反映混凝土试件在加载过程中的损伤程度。对混凝土圆柱体试件进行了数值模拟计算。进而通过损伤对混凝土材料裂纹的扩展、贯通以及最后破坏的过程进行研究。     

基于真实细观模型的再生混凝土破坏数值研究

在细观层次上视再生混凝土为非均匀六相复合材料,综合数字图像处理技术、几何矢量转换技术与有限元网格自动生成方法,提出了再生混凝土的细观有限元分析方法.根据再生混凝土各相材料的力学特性,利用自动动态增量非线性分析软件对单轴拉伸、单轴压缩作用下再生混凝土试件的细观损伤过程及宏观力学性能进行了模拟分析.在验证了所建立再生混凝土真实细观模型合理性的基础上,通过变参数分析,讨论不同天然骨料、界面过渡区和新老硬化砂浆的力学性能对再生混凝土宏观力学性能的影响.结果表明:真实骨料细观模型能更真实地模拟再生混凝土在荷载作用下的损伤破坏过程,其模拟结果与试验结果吻合较好;天然骨料力学特性对再生混凝土的破坏过程和破损路径有较大影响,天然骨料弹性模量越大,应力集中现象越明显;再生混凝土强度随新砂浆强度增大而增大,老砂浆力学性能对再生混凝土宏观力学性能的影响弱于新砂浆;再生混凝土的界面过渡区处存在拉应力和剪应力集中现象.     

Mesoscale modeling based numerical study on size effect of concrete compressive strength

将混凝土视为砂浆、骨料及过渡界面组成的三相复合材料,采用随机骨料模型从细观角度对混凝土轴压破坏过程及抗压强度尺寸效应进行数值分析。该模型中考虑了混凝土级配以及骨料分布的影响,通过赋予各相材料塑性损伤本构关系并引入初始缺陷来模拟混凝土破坏过程中裂缝的产生与扩展。通过与试验数据进行对比,认为所建立随机骨料细观模型能够较好地反映混凝土抗压强度尺寸效应规律。分析结果表明：初始缺陷大小对混凝土抗压强度尺寸效应影响显著,而混凝土强度等级与缺陷位置对尺寸效应影响较小。通过对混凝土轴压破坏机理进行分析,发现基于能量释放的尺寸效应模型能够较好地解释混凝土的破坏过程和预测模拟结果。     

基于随机骨料模型的混凝土抗压强度尺寸效应研究

将混凝土视为砂浆、骨料及过渡界面组成的三相复合材料,采用随机骨料模型从细观角度对混凝土轴压破坏过程及抗压强度尺寸效应进行数值分析。该模型中考虑了混凝土级配以及骨料分布的影响,通过赋予各相材料塑性损伤本构关系并引入初始缺陷来模拟混凝土破坏过程中裂缝的产生与扩展。通过与试验数据进行对比,认为所建立随机骨料细观模型能够较好地反映混凝土抗压强度尺寸效应规律。分析结果表明:初始缺陷大小对混凝土抗压强度尺寸效应影响显著,而混凝土强度等级与缺陷位置对尺寸效应影响较小。通过对混凝土轴压破坏机理进行分析,发现基于能量释放的尺寸效应模型能够较好地解释混凝土的破坏过程和预测模拟结果。     

再生混凝土的冲击力学特性及本构模型研究

为了解再生混凝土的冲击力学性能,以粗骨料全取代下的再生混凝土试样为材料,利用霍普金森压杆对其进行不同冲击气压下的动态单轴压缩试验,对其动力学特性进行分析,结果表明：冲击荷载下,再生混凝土的应力-应变曲线分为3个阶段,即线弹性阶段、塑性发展阶段和破坏阶段;当应变率小于60 s-1时,再生混凝土的应力-应变曲线存在明显的回弹现象;再生混凝土的动力学参数存在明显的应变率增强效应,其中动态峰值应力与应变率呈线性关系,动态弹性模量与应变率呈指数关系,动态应力增长因子与应变率的自然对数呈指数关系;建立的基于界面脱黏损伤的再生混凝土动态本构模型与试验曲线吻合度良好,该模型可以表征再生混凝土在冲击荷载下的本构曲线特征。为再生混凝土冲击力学性能、动力参数及本构关系的研究提供指导和依据。     

基于压电智能骨料的钢管混凝土柱冲击应力监测与数值模拟

为研究钢管混凝土柱在冲击荷载作用下的应力监测方法,将压电智能骨料埋入钢管混凝土柱内部进行不同工况下的冲击应力监测试验。通过锤头加速度传感器和智能骨料的监测数据,分别转换并绘制了钢管混凝土柱的冲击力时程曲线和智能骨料的应力响应曲线,同时观测了试件的变形和破坏现象。利用ABAQUS软件对冲击试验进行有限元分析,将有限元分析结果与试验结果进行对比,二者吻合程度较好。结果表明,压电智能骨料能够有效监测钢管混凝土柱在冲击荷载作用下的内部应力变化,有限元建立的模型具有较好的适用性,本文研究成果可以为钢管混凝土结构动力灾变机理分析提供监测数据。     

混凝土三维细观分析中界面过渡区的网格划分方法

界面过渡区(ITZ)网格划分是混凝土三维细观分析研究中的关键问题。通常只考虑砂浆和骨料两相结构;少数研究用格构模型或背景网格法确定ITZ单元,所得的ITZ单元尺寸与实际不符。提出一种基于已有的砂浆和骨料两相网格生成约50μm厚的五面体ITZ单元的方法,使得建立的混凝土三相细观结构更接近实际。所得的三维细观结构为模拟混凝土的力学性能打下了基础。     

再生混凝土抗压强度的影响因素的有限元分析

运用Ansys有限元软件在细观层次上仿真模拟再生混凝土试件的抗压试验,将再生混凝土看作天然骨料、砂浆、附着砂浆、新界面、老界面五相复合材料组成,运用Ansys建立了二维圆形的随机骨料模型,并以此建立了的二维和三维再生混凝土立方体数值模拟试件,进行轴向受压分析。改变附着砂浆的强度及新、老界面的厚度、再生骨料的取代率等参数,分析它们对抗压强度的影响。模拟结果表明,当附着砂浆强度愈大,新、老界面厚度越小,再生骨料取代率变小、骨料粒径愈小时,再生混凝土抗压强度越大。     

钢纤维增强混凝土动态力学性能及HJC本构模型参数标定

探讨了不同体积掺量钢纤维和镀铜钢纤维对混凝土动态力学性能的影响,以及标定本构模型参数对钢纤维混凝土和镀铜钢纤维混凝土的适用性。在高强混凝土中掺加0.5%、1%、1.5%体积掺量的钢纤维制备7组试件,分别进行静态力学性能试验和分离式霍普金森压杆试验（SHPB）,基于静态、动态力学结果修正Holmquist-Johnson-Cook（HJC）本构模型参数,并利用有限元分析软件验证HJC模型参数的有效性。结果表明,在0.5%、1%、1.5%体积掺量下,混凝土动态峰值抗压强度随纤维掺量的增加而提高。标定的HJC模型对钢纤维混凝土的动态峰值抗压强度预测效果良好,模拟得到的应力-应变曲线与SHPB试验结果大致吻合。以侵蚀准则模拟得到动态冲击试验试件破坏过程,为钢纤维混凝土的抗冲击设计提供参考。     

基于材料试验和细观模型的混凝土渗透性研究

基于材料试验和细观模型,以球体和椭球体模拟粗骨料,以薄壳模拟界面区,建立三维混凝土三相细观模型,研究了压力水在混凝土中的渗透规律.结果表明:混凝土细观模型模型能较好地反映压力水在混凝土内渗透过程中的局部特征和总体规律,展现了由于骨料随机分布所导致的"曲折效应"、"稀释效应"和"界面效应";随着骨料体积分数的增加,以上3种效应被同时放大,骨料对混凝土抗渗透性能的影响应综合考虑3种效应的影响;在骨料形状、骨料体积分数和界面区参数一定的情况下,混凝土的有效渗透系数与砂浆的渗透系数呈正比例关系;混凝土试件侧面防水措施不足所导致的边界效应使得抗渗高度法试验结果存在较大误差,应根据试件模具的尺寸误差、拟加水压值来确定边界防水层的厚度.     

基于图像重建的大粒径再生粗骨料混凝土单轴受压性能研究

针对粒径为25~80 mm的大粒径再生粗骨料混凝土,基于图像重建方法,采用ANSYS有限元软件建立数值模型对其立方体单轴受压性能进行了研究。模拟结果表明:再生粗骨料的形状对再生混凝土中裂缝萌生有影响,初始裂缝出现在再生粗骨料的棱角处;再生混凝土中裂缝发展初期,主要沿新老砂浆界面和天然石子与新砂浆界面发展,然后向新砂浆和老砂浆内部延伸;新混凝土强度低于老混凝土强度时,大粒径再生粗骨料混凝土试件破坏相对较轻;大粒径再生粗骨料混凝土试件中新老砂浆界面对强度有较大影响,该区域在试件破坏前后都是应力最大的区域。     

混杂纤维高强高性能混凝土抗冲击性能数值仿真

采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA分析平台,对钢纤维、聚丙烯纤维等混杂纤维混凝土(HFRHSC)试件在强动载作用下力学相响应进行了仿真分析,主要针对混杂纤维混凝土的霍普金森压杆冲击试验过程进行数值仿真。采用了HJC(Holmquist-Johnson-Cook)破坏模型,针对混凝土材料冲击损伤破坏的本构模型来计算动态冲击作用下混凝土材料的变形问题。表明了试件内部应力趋于均匀前,经历初始状态的应力震荡;相同的冲击速度下,HFRHSC试件各个时刻的破坏程度轻于没有参加任何纤维的的基本混凝土试件,基本验证了混杂纤维对混凝土力学性能的改良效用。     

混凝土压缩断裂过程及尺寸效应的数值模拟

将混凝土视为由骨料、水泥砂浆及二者间的粘结带所构成的三相复合材料,利用蒙特卡罗方法生成混凝土随机骨料模型。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单元的损伤退化。利用非线性有限元方法对湿筛、三级配、四级配混凝土试件的单轴受压破坏过程进行了数值分析,从而对试件的抗压强度进行了尺寸效应分析。研究结果表明,数值模拟所得的结果与试验结果表现出较好的一致性,混凝土的断裂主要发生在骨料与砂浆的粘结面上,裂纹沿平行于最大压应力的方向扩展。     

混凝土劈拉破坏机理研究

通过对混凝土进行巴西圆盘劈裂试验,测试了混凝土的抗拉强度,获取了试验试件的破坏形态、加载力—位移曲线,并对试验后混凝土试件破坏界面进行了分析,结果表明:巴西圆盘劈拉试验中,其破坏面上主要是砂浆和骨料界面的粘结破坏和骨料的断裂,水泥砂浆和骨料的力学性质,以及它们的几何分布都对劈拉试验中试件裂缝的形成和发展有重大影响。     

粗骨料形状对混凝土力学性质的影响

混凝土是一种力学行为复杂的多相复合材料。通过PFC2D模拟,对四种不同形状粗骨料混凝土试件的应力-应变曲线,破坏形态及破坏过程中的能量变化进行对比分析。结果表明:混凝土单轴受压开裂裂缝都是绕骨料产生的,粗骨料本身不发生破坏;混凝土的单轴受压强度与砂浆基质与粗骨料外边缘有效接触面积有关,非圆形骨料较圆形骨料的界面接触面积大抗压强度也高,对应的峰值应变也越大,应力应变曲线下降段也越陡些。     

多孔混凝土裂缝扩展三维数值模拟

采用数字图像技术及MATLAB程序,将多孔混凝土切面的二维图像处理为代表骨料与砂浆的二维矩阵,利用有限元软件建立了基于真实细观结构的多孔混凝土三维数值模型,对多孔混凝土在单轴受压作用下的裂纹扩展、贯通及破坏的过程进行演化模拟。结果表明:压应力通过骨料纵向传播,上层存在孔隙的骨料区会产生拉应力。裂缝最早发生在开口孔隙边缘的骨料上和骨料与砂浆的粘结薄弱区,然后沿骨料边缘扩展,并与孔隙贯通,直至失稳破坏。     

一种快速生成三维混凝土骨料模型的混合实现方法

三维随机骨料混凝土模型是由骨料、砂浆基体以及界面层组成的三相复合材料,基于Fortran和ANSYS软件提出了一种快速生成含高体分比球形骨料混凝土模型的混合实现方法,并在此基础上生成三维椭球形骨料(卵石)模型、凸多面体骨料(碎石)模型以及混合模型。算例结果表明,这种新方法可以快速生成三级配球形颗粒混凝土模型所需的骨料数据,相应的骨料投放含量能达到65%左右。混合方法可将骨料颗粒和界面层分离开来,在有限元网格剖分时避免了复杂的单元属性判别。通过对椭球形骨料模型和凸多面体骨料模型的有限元数值模拟,进一步验证了该混合方法的有效性。     

混凝土特性数值方法研究及CT试验

建立三维混凝土数值模型,确定了三维“数字混凝土”数值试验的加载方法及强度的计算方法,并从细观层面上分析了混凝土强度特性、受力破坏机理及裂纹演化规律。最后用混凝土CT试验验证了此法的合理性。得出可以用位移控制的数值试验的应力应变曲线的极值点作为数字混凝土的强度点;混凝土强度主要受界面和砂浆强度控制;不论是拉还是压荷载作用下,混凝土裂纹均从骨料尖角处相对较弱的界面开始萌生,然后微裂纹绕着骨料扩展、贯通,说明混凝土的静态裂纹追随结构的弱面发展;混凝土试样的强度取决于试样的破坏面积,破坏面积越大强度越高。