基于细观单元等效化方法的混凝土动态破坏行为分析

混凝土材料具有明显的应变率效应,对其力学性质增强机理的认识还不统一。在细观随机骨料模型基础上,采用特征单元尺度划分试件网格,推导了考虑材料拉/压强度应变率效应的细观单元等效本构关系,建立了非均质混凝土材料的细观单元等效化数值模型。基于二维模型对Dilger等混凝土动态压缩试验进行了数值模拟,获得的数值结果与试验数据及随机骨料模型结果吻合良好,证明了细观单元等效化方法的准确性;进而对三维混凝土试件动态单轴拉伸和压缩破坏模式及宏观力学性质的加载速率效应进行了研究。数值结果表明:随着加载速率的增加,混凝土裂纹(损伤)数量增大,混凝土破坏将耗散更多的能量,是混凝土动态强度提高的主要原因。     

非均质混凝土材料破坏的三维细观数值模拟

在随机骨料模型的基础上,采用特征单元尺度对网格进行剖分,建立了非均质混凝土材料损伤破坏及宏观力学特性研究的三维细观单元等效化模型。对单轴拉伸、单轴压缩条件下湿筛混凝土试件的破坏过程及宏观力学性能进行了模拟分析;研究了混凝土梁的三分点弯拉力学特性,并与平面模型结果作了对比。研究表明:1) 与平面计算模型相比,三维模型更真实地模拟混凝土材料在外荷载作用下的损伤破坏过程,更准确的描述非均质混凝土材料的宏观力学性能,且与实验结果吻合;2) 骨料空间分布形式基本不影响混凝土材料的宏观弹性模量及强度,但影响其破坏过程和破损路径;3) 与随机骨料模型等细观力学方法相比,该方法具有高效性。     

大坝混凝土试件三维细观力学并行计算研究

基于混凝土材料基本特性及其有关试验研究结果,给出了混凝土材料的损伤演化关系、及其抗拉强度和弹性模量的应变率强化定律,建立了既考虑细观损伤弱化又计及应变率强化效应的混凝土非线性有限元静动力学虚功方程。根据FEPG有限元语言的规则,编写了混凝土试件细观静、动力学方程的描述文件及位移、应力场的算法文件,并基于PFEPG软件平台开发了混凝土试件的三维细观数值并行计算程序。利用三维随机骨料随机参数模型对混凝土试件弯折损伤破坏过程进行了细观数值模拟。其计算结果与试验结果相吻合,显示了该算法及所编并行程序的有效性。     

考虑材料组成特性的混凝土轴拉破坏过程细观数值模拟

为反映骨料、砂浆及其之间的界面过渡区的组合特点和材料性能,基于材料细观非均匀性和有限元方法的混凝土破坏过程细观数值模拟需进行复杂、细致的网格剖分,导致了繁重的前处理工作和可观的计算量。该文对混凝土材料细观单元材质组成的单一化假定进行改进,将内嵌界面过渡区材料的规则化单元视为一种广义复合材料单元,建立了复合型界面损伤模型。采用等效方法确定单元的复合弹性关系,通过有限元法计算单元的局部应力;用细观层次上弹性力学性能的弱化描述单元组成材料的损伤,混凝土材料的破坏过程通过单元各组分的损伤模拟。应用该复合型界面损伤模型研究了混凝土试件的单轴拉伸破坏过程,细观数值模拟结果符合混凝土试件的宏观破坏特征,表明该模型可作为分析混凝土材料破坏过程的一种有效途径。     

钢筋混凝土柱偏心受压力学性能的细观数值研究

钢筋混凝土构件的宏观力学性能由其组分-钢筋和混凝土两部分的力学性能决定。结合混凝土细观结构形式,认为混凝土是由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的复合材料,假定钢筋与混凝土之间完好粘结,基于钢筋混凝土柱偏心受压试验,建立了钢筋混凝土柱偏心受压加载下力学特性及破坏行为研究的细观尺度力学分析模型。通过对混凝土方形和矩形试件进行受压力学特性模拟,采用反演法确定了界面的力学参数,进而模拟了钢筋混凝土柱偏心受压加载下的宏观力学性能。结果表明,相比于宏观尺度模型,细观数值分析模型能够充分体现材料的非均质性,能够较好的模拟试件的宏观力学性能,并且能够细致的描述裂缝发展及试件破坏过程,与试验结果吻合良好。该文建立的细观尺度分析模型与方法,为钢筋混凝土构件层次宏观力学非线性及其尺寸效应研究提供了理论支持。     

力学损伤混凝土热传导行为细观研究

为研究力学损伤对温度传导行为的影响,考虑混凝土细观结构的非均质性,将其视为由骨料、砂浆和界面过渡区组成的三相复合材料,提出并建立了力学-热学单向耦合作用研究的细观数值方法与模型。方法的思想是:首先对非均质混凝土在荷载作用下开裂损伤力学行为模拟分析,获得其内部的损伤分布情况;然后,将力学分析结果作为初始输入条件,结合复合材料均匀化理论,获得损伤混凝土各细观单元的导热性能,从而实现了力学-热学单向耦合作用的数值模拟。以单轴压缩加载为例,通过与试验结果的对比,验证细观方法的合理性与有效性。基于该套细观数值模拟方法,对荷载作用后混凝土试件的宏观有效导热系数与温度场分布进行了细观计算分析,对比了不同复合材料力学模型的影响,探讨分析了压缩荷载水平的影响规律。     

基于数字图像的混凝土破坏过程的数值模拟

把混凝土看作是由水泥砂浆为基相,粗细骨料为分散相的复合材料。在细观尺度上,应用数字图像处理技术表征混凝土材料中由骨料的形状、大小和分布对混凝土材料造成的非均匀性,在组成相材料内部细微观尺度上,采用统计方法来描述材料的非均匀性,建立了细-微观尺度耦合分析的混凝土损伤数值模型,模拟了混凝土单轴载荷作用下的破坏过程。数值模拟结果能反映出骨料分布和组成相材料的非均匀性对混凝土力学行为的影响,较好的模拟了混凝土试样从裂纹萌生扩展到宏观裂纹形成的整个破坏过程。     

加载速率及其突变对混凝土压缩破坏影响的数值研究

混凝土动态力学行为具有明显的率相关性,探讨了加载速率及其突变对混凝土压缩破坏模式及宏观力学性能的影响。考虑混凝土细观结构非均质性的影响,从细观角度出发将混凝土看作由骨料、砂浆基质及过渡区界面组成的三相复合材料。采用耦合应变率效应的塑性损伤本构关系模型来描述砂浆基质及界面的动态力学行为;认为骨料不产生断裂破坏,为弹性体。采用Monte Carlo法建立了混凝土二维随机骨料模型,首先对Dilger等混凝土动态压缩试验进行数值模拟,数值与试验结果的良好吻合证明了方法的可行性及细观参数选取的准确性。进而探讨了细观组分应变率效应的影响,对比了混凝土非均质模型与宏观均匀模型的应变率效应,最后分析了软化阶段加载速率突变对混凝土破坏模式及宏观应力-应变关系的影响,并得到了一些有益结论。     

混凝土单轴动态拉伸强度随机性的统计特性分析

混凝土拉伸破坏行为是混凝土试件及结构力学行为的重要组成部分,其与加载速率密切关联。针对混凝土材料静、动态拉伸强度的随机性和离散性,探讨了骨料分布形式的影响规律。从细观角度出发,假定混凝土是由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的三相复合材料,考虑各相材料动态加载下力学特性的应变率效应,建立了混凝土动态力学行为研究的细观尺度力学模型与方法。以双边缺口混凝土试件为例,对5组不同应变率下64个具有不同骨料分布形式的混凝土试件的单轴动态拉伸力学行为进行了数值试验。基于概率统计分析理论,对不同应变率下混凝土动态抗拉强度的离散性进行了统计分析,包括均值、方差及分布形式等概率统计特性。研究表明:混凝土动态抗拉强度服从双参数Weibull分布;随着应变率的增大,混凝土抗拉强度离散性逐渐减小。     

骨料粒径对混凝土劈拉性能及尺寸效应影响的细观数值研究

混凝土材料宏观力学行为的非线性及尺寸效应根源于其内部组成的非均质性。考虑材料细观结构非均质性的影响,建立由骨料颗粒、砂浆基质和界面过渡区组成的混凝土细观尺度力学模型。对尺寸为150 mm、250 mm、350 mm和450 mm的混凝土立方体模型劈裂抗拉破坏行为进行细观数值模拟,探讨骨料粒径（最大粒径分别为:10 mm、20 mm、30 mm和40 mm）的影响机制,并与试验结果进行对比分析。结果表明:1） 混凝土材料的劈裂抗拉强度随着骨料粒径增大而略微降低,最大骨料粒径达到30 mm左右时,强度降低趋势变缓;2） 四种骨料粒径下混凝土立方体劈裂抗拉强度均存在尺寸效应现象,相比于大骨料试件,小骨料试件的破坏更具脆性,因而其尺寸效应更显著;3） 混凝土劈裂抗拉强度尺寸效应行为与 Ba?ant和Weibull提出的尺寸效应理论相吻合。     

考虑过渡区界面影响的混凝土宏观力学性质研究

混凝土材料的宏观力学特性及破坏机理由其细观组分来决定,界面过渡区是影响混凝土断裂破坏路径及宏观力学特性的重要因素。认为界面过渡区是区别于远处砂浆基质的一层含较高孔隙率的近场砂浆材料,采用“两步等效法”得到了混凝土细观单元的等效本构关系模型。最后基于细观单元等效化方法分析了在单轴拉伸、单轴压缩及弯拉载荷条件下混凝土试件的破坏过程及宏观力学性质,探讨了界面过渡区对混凝土力学特性的影响,并与随机骨料模型分析结果进行了对比。结果表明:界面相的存在对混凝土的弹性模量、强度及残余强度等力学性质有很大影响,在对混凝土宏观力学特性及细观断裂破坏过程进行研究时不可忽略其影响。     

基于两相随机介质的混凝土破坏全过程模拟

通过两相随机介质对混凝土细观结构进行建模,给出了混凝土破坏全过程模拟。首先,为了反映混凝土水泥砂浆和骨料的随机分布,引入新近发展的两相介质随机场对混凝土进行建模。采用随机点集生成随机有限元与内聚单元,以考虑裂纹分布的随机性,形成混凝土材料破坏分析的数值模型。数值模拟给出了混凝土单轴受拉裂纹开展全过程。数值模拟结果表明:当骨料断裂能明显大于水泥砂浆断裂能时,采用两相随机介质,能够较好地描述在受拉状态下,混凝土裂纹主要产生于水泥砂浆及骨料以及水泥砂浆的界面处,较少骨料破坏,这一典型特征。最后,通过模拟所得的均匀化应力-应变关系与混凝土单轴受拉试验结果对比,进一步验证了该文所给出的两相随机介质模拟的正确性。     

骨料级配对二维模型混凝土单轴抗拉强度影响的理论研究

混凝土尺寸效应及其宏观力学非线性根源于其材料细观组成的非均质性。结合混凝土细观结构形式,将混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的复合材料。采用双线性弹性损伤模型来描述砂浆基质及界面过渡区的力学行为,假定骨料颗粒为弹性体而不发生破坏,进而推导并获得了单轴拉伸条件下不同骨料颗粒级配混凝土断裂裂缝扩展路径长度及其抗拉强度的理论解。最后,对比了建立的理论公式结果与细观尺度数值模拟结果,验证了构建的关于裂缝长度及抗拉强度理论解的准确性和合理性。     

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。     

基于随机骨料模型的EPS混凝土粒子尺寸效应分析

建立基于随机分布的EPS混凝土细观力学模型,对EPS混凝土的受压损伤破坏过程进行数值模拟,分析EPS混凝土的损伤破坏过程。研究表明,EPS混凝土的损伤破坏有两种形态,即延性破坏和脆性破坏。延性破坏与EPS颗粒的面积占有率、断裂过程区长度有关;脆性破坏与EPS颗粒的面积占有率、粒径大小以及颗粒间距有关。在EPS颗粒面积占有率较低的情况下,EPS混凝土的粒子尺寸效应对混凝土力学性能的影响较明显,在较高面积占有率的情况下,粒子尺寸效应对其影响较小。随着EPS颗粒面积占有率的增加,EPS混凝土损伤破坏由脆性破坏向延性破坏转变。建立基于损伤力学与断裂力学的粒子尺寸效应数学模型,用数值模拟进行验证,发现两者吻合较好。     

加载速率对混凝土拉伸破坏行为影响观数值分析

探讨了加载速率及细观结构非均质性对混凝土破坏模式及宏观力学性能的影响。考虑到混凝土细观结构非均质性的影响,将混凝土看作由骨料和砂浆基质组成的两相复合材料。考虑材料的应变率效应,采用塑性损伤模型来描述砂浆基质的动态力学行为;由于骨料具有较高强度,假定不会产生断裂,设定为弹性体。对单边缺口的混凝土试件及L形试件在不同加载速率下的动态拉伸破坏模式进行了细观数值研究。数值结果表明:1) 混凝土动态破坏模式及裂纹扩展方向具有明显的加载速率相关性;2) 随着加载速率的提高,混凝土破坏模式从I-型模式到混合型模式转变;3) 混凝土细观结构越复杂,组分间相互作用越复杂,裂纹扩展路径越复杂,裂纹分支现象越为明显;4) 随着加载速率的提高,混凝土破坏时产生更多的裂纹扩展路径(分支裂纹),且损伤区域宽度增大,导致混凝土在高应变率作用下消耗更多的能量,可认为是混凝土材料动态强度提高的主要原因。     

加载速率对混凝土拉伸破坏行为影响的细观数值分析

探讨了加载速率及细观结构非均质性对混凝土破坏模式及宏观力学性能的影响。考虑到混凝土细观结构非均质性的影响,将混凝土看作由骨料和砂浆基质组成的两相复合材料。考虑材料的应变率效应,采用塑性损伤模型来描述砂浆基质的动态力学行为;由于骨料具有较高强度,假定不会产生断裂,设定为弹性体。对单边缺口的混凝土试件及L形试件在不同加载速率下的动态拉伸破坏模式进行了细观数值研究。数值结果表明:1)混凝土动态破坏模式及裂纹扩展方向具有明显的加载速率相关性;2)随着加载速率的提高,混凝土破坏模式从I-型模式到混合型模式转变;3)混凝土细观结构越复杂,组分间相互作用越复杂,裂纹扩展路径越复杂,裂纹分支现象越为明显;4)随着加载速率的提高,混凝土破坏时产生更多的裂纹扩展路径(分支裂纹),且损伤区域宽度增大,导致混凝土在高应变率作用下消耗更多的能量,可认为是混凝土材料动态强度提高的主要原因。     

基于粘结单元的三维随机细观混凝土离散断裂模拟

开发MATLAB 和ABAQUS Python脚本程序,建立含随机三维多面体骨料的混凝土细观有限元模型。通过自编高效C++程序插设三维零厚度的粘结界面单元,以模拟复杂三维离散多裂缝的起裂与扩展。对典型混凝土试件单轴拉伸断裂的模拟,分析粘性界面单元的主要材料参数(抗拉强度与断裂能)对应力-位移曲线、断裂过程、裂缝面特征的影响。结果表明:宏观应力-位移曲线主要受砂浆、界面粘性裂缝单元的抗拉强度、断裂能绝对数值的影响;裂缝面的位置与形态决定于砂浆、界面粘结裂缝单元的抗拉强度相对比值以及断裂能相对比值;混凝土的力学响应反映其裂缝发展特征,二者既决定于断裂材料参数,也受到骨料大小、形状等细观结构因素的影响;建立的有限元模型能有效描述混凝土复杂三维断裂过程。     

基于细观层次混凝土骨料模型生成方法研究分析

混凝土细观数值模拟分析成为了一种有前景替代大量宏观试验的方式,但目前数值模拟中缺少成熟的细观力学模型。重点介绍了混凝土的3种细观力学模型,即随机骨料模型、数字图像模型和参数等效化单元模型,详细说明这3种细观骨料模型的生成特点、关键问题和研究成果,对比分析3种细观模型的生成效率、网格化分、计算效率和精确度等,并提出了在这方面有待进一步研究的问题。     

骨料粒径对混凝土动态拉伸强度及尺寸效应影响分析

骨料粒径是影响混凝土力学性能及破坏机理的重要因素。从细观角度出发,将混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的三相复合材料,考虑细观组分的应变率效应,建立了混凝土动态拉伸破坏行为研究的细观力学分析模型,模拟研究了不同骨料粒径下混凝土动态拉伸破坏行为,并揭示了动态拉伸强度的尺寸效应规律。研究表明:低应变率下骨料不发生破坏,骨料粒径对混凝土动态拉伸破坏模式及拉伸强度影响显著,且拉伸强度的尺寸效应随骨料粒径的减小而削弱;高应变率下裂缝将贯穿骨料,骨料粒径的大小对混凝土动态拉伸强度及尺寸效应影响可忽略。最后,结合应变率效应的影响机制,建立了混凝土拉伸强度的"静动态统一"尺寸效应理论公式,该公式可以较好描述各骨料粒径下混凝土动态拉伸强度与试件尺寸的定量关系。