考虑孔隙及微裂纹影响的混凝土宏观力学特性研究

混凝土是一种典型的多孔介质材料,孔隙分布错综复杂,孔径尺寸跨越微观尺度和宏观尺度,对混凝土弹性模量及强度等力学参数产生巨大影响.认为混凝土是由骨料、孔隙及砂浆基质组成的三相复合材料,采用Monte Carlo 法将孔隙、微裂纹及微缺陷与骨料颗粒随机投放在砂浆基质中.根据三相球模型及中空圆柱形杆件模型得到含孔材料的有效力学性质,并推导得到含孔材料的等效本构模型.建立含孔隙混凝土试件的细观单元等效化力学模型,对二级配含孔隙混凝土试件在单轴拉伸及压缩条件下的反应进行了非线性分析.结果表明:孔隙、微裂纹的存在对混凝土宏观弹性模量、强度及残余强度等力学性质都有很大影响,在对混凝土宏观力学特性分析及研究混凝土损伤断裂时不应忽略其影响.     

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。     

混凝土材料细观单元弹模非均匀统计特性研究

假定混凝土是由骨料颗粒及砂浆基质组成的复合材料, 基于Voigt 并联模型对混凝土细观单元进行等效化, 对单元的等效弹性模量进行统计分析。以Weibull 分布为假设分布, 采用图解法结合逐步回归优选法进行参数估计, 探讨了混凝土细观单元弹性模量的分布形式, 并根据Kolmogorov非参数检验, 对假设分布进行了检验;对不同尺度下的细观单元弹性模量进行统计分析, 并对骨料空间分布随机性的影响作了初步分析;最后对不同级配下混凝土材料的特征单元尺度问题进行了研究。结果表明:1) 混凝土细观单元弹性模量的随机分布形式及参数具有尺度效应, 且并不完全服从Weibull模型;2) 混凝土细观单元弹性模量的变异性与尺度相关, 随单元尺度的减小, 变异性先随之增大后逐渐趋于稳定, 它反映了混凝土材料细观不均匀程度存在一个合理的细观尺度表述的事实, 对应于变异系数向平稳段过渡的拐点所对应的单元尺度称为特征尺度;3) 二级、三级、四级配下混凝土材料的特征单元尺度分别为10mm、15mm 和18mm;4) 骨料空间分布的随机性对细观单元弹性模量随机分布特征影响可以忽略。     

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。     

混凝土材料与结构破坏过程模拟分析

采用离散单元法对混凝土材料和混凝土结构破坏机理进行分析。在细观尺度上将混凝土材料视为由粗骨料、水泥砂浆及界面过渡区三相组成,建立了混凝土材料的离散元模型;在宏观尺度上将混凝土视为均质材料建立了混凝土结构离散单元模型。计算分析结果表明:细观尺度上的二维离散单元模型可以用来很好地模拟混凝土材料的单轴受力破坏过程,但不能很好地模拟复合受力状态下的混凝土材料的破坏;宏观尺度上的离散单元模型可以很好地模拟钢筋混凝土构件的破坏过程,但模拟结果对单元的形状有较大的依赖性;宏观尺度上的离散单元模型可以很好地模拟结构的倒塌过程,但计算效率有待提高。     

计算智能在微尺度力学研究中的应用

微尺度力学的研究常遇到力学模型分析、复杂本构方程求解和跨尺度计算等问题,而传统的数学方法很难给出所研究的微尺度力学问题的解析解。该文探讨运用计算智能方法(主要包括人工神经网络、遗传算法和模糊数学等知识)对微尺度材料的力学行为进行研究。首先,采用人工神经网络建立微尺度材料的纳米压痕硬度随压痕深度变化的力学模型,并用其预测氧化镁材料的纳米压痕硬度;其次,运用遗传算法对A533-B号钢的球形压痕的载荷-位移曲线进行反分析,进而获取其力学参数。     

混凝土微观力学基础研究进展及应用展望

混凝土是现代土木工程建设的基础和关键结构材料,现代工程建设的发展对混凝土性能提出新的挑战。水化硅酸钙(C-S-H)是水泥水化最重要的产物(约占水化产物的70%),也是混凝土中最重要的胶结性物质,起到胶结砂石骨料、发挥强度的关键作用。在微观尺度上,C-S-H是一种多孔介质材料,组成结构十分复杂。因此,对C-S-H微观力学性能进行解析和设计,是认识和提高水泥基材料宏观力学性能的关键,同时也是混凝土研究领域的基础科学问题。该文旨在介绍混凝土微观力学性能表征方法、混凝土微观力学计算理论以及其在混凝土应用过程的新发现,同时展望混凝土微观力学在工程建设中的应用。     

粗骨料种类对刚性弹贯穿混凝土靶剩余速度的影响

针对弹体贯穿混凝土靶问题,混凝土细观尺度模型能够反映混凝土中各介质对混凝土力学行为的影响。本研究编写了三维随机球形粗骨料的生成和投放程序,并采用一种基于背景网格的材料识别技术建立了含有水泥砂浆和粗骨料两种网格的三维混凝土细观有限元模型,同时将界面过渡区简化为这两种网格之间的一种可失效的接触。基于这一模型,运用连续有限元软件对刚性弹贯穿混凝土过程进行了数值仿真,并分析了三个不同种类的粗骨料对剩余速度的影响。结果表明,粗骨料的强度和密度分别在较低和较高的着靶速度下对剩余速度有一定影响。     

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。     

基于颗粒流离散元模型的弹丸侵彻细观混凝土数值模拟方法研究

利用颗粒离散单元法,研究弹丸侵彻细观混凝土模型中弹丸受到介质的阻应力与侵彻速度的关系。采用蒙特卡罗法随机生成并投放混凝土骨料且骨料的粒径分布满足级配曲线。通过对混凝土颗粒离散元细观力学模型进行单轴压缩实验、巴西劈裂实验和双轴压缩实验的参数反演,确定细观模型参数,能使细观混凝土模型具有和一般混凝土等效的力学性能。分析了骨料、过渡层和砂浆三相材料各细观参数对混凝土单轴压缩应力应变关系影响以及锥形弹和平头弹弹丸直径对侵彻阻应力的影响。将颗粒离散元细观力学模型方法计算的弹丸阻应力与空腔膨胀理论计算模型相比较,表明计算离散元方法具有良好的精度和实用性。     

基于多项材料细观力学的混凝土干缩量预估

混凝土的干缩特性一直是学术与工程界关注的问题之一。该文用细观力学方法对混凝土相对于水泥浆体的干缩率进行研究。假定混凝土为由骨料和水泥浆体组成的二相材料,根据混凝土收缩量与组成混凝土的各相介质收缩量之和相等的原则,分别用基于Eshebly等效夹杂理论的Mori-Tanaka方法和基于载荷叠加思想的细观力学方法推导了混凝土干缩量。结果表明:Mori-Tanaka法、自洽方法和经验公式得到的相对干缩量基本相同,能很好地反映混凝土的干缩特性。混凝土相对干缩随骨料体积分数的增加而下降,随水泥基质泊松比的增大而增加。相对干缩随骨料与水泥基质体积模量比的增大而减小,但是当其值大于5后的影响比较小。用该文的方法估算混凝土的干缩,物理意义明确且计算简单,可以减少实验的工作量,同时也为混凝土结构的设计提供一定的参考。     

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。     

数值模拟中细观泡孔构型对硅橡胶泡沫材料力学性能的影响

基于有限元方法模拟准静态单轴压缩过程中硅橡胶泡沫材料的力学响应,并基于硅橡胶泡沫材料的泡孔特征,建立具有均匀分布且球孔尺寸一致的周期性物理模型,采用多尺度结合有限元数值方法进行模拟。根据已有的实验数据,拟合了实体硅橡胶材料的唯像本构方程。多尺度模拟研究中,建立了四种不同的细观泡孔单元,模拟了四种细观泡孔单元在准静态单轴压缩条件下的力学响应。模拟结果表明,四种细观泡孔单元均具有典型的超弹性力学特性,不同泡孔构型能造成细观模型力学响应的显著差异,四种细观泡孔单元中应力最大差值超过300%。细观模型的力学性能通过数据传递机制传输到均匀化的宏观模型后,采用有限元方法对宏观模型进行数值模拟。结果表明:宏观模型具有典型的超弹性力学特性,不同的细观泡孔构型能导致宏观模型力学响应的显著差异,其中应力最大差值超过300%。     

大块非晶合金的微尺度力学行为研究评述

大块非晶合金因其优异的力学、机械、物理等性能引起学术界和产业界广泛关注,其学术研究和应用领域内容范围正日益扩大和深入。本文简要介绍了大块非晶材料微尺度力学行为研究中的最新进展,内容包括大块非晶纳米压印过程中的锯齿状流变特性、非晶变形过程中的微观结构转变以及非晶断裂的微观机制及尺度效应。     

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。     

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。     

三级配混凝土静、动载下力学细观破坏机制研究

假定三级配混凝土是由砂浆基质、不同粒径的骨料及其粘结带组成的非均质复合材料,采用非线性有限元方法在细观尺度上数值模拟三级配混凝土弯拉梁在静、动载下的开裂过程。按实际配比计算各种骨料的代表粒径的数目,采用蒙特卡罗方法随机生成骨料分布,骨料形状假定为圆形,最小粒径为12.5mm。骨料、砂浆及其粘结带均采用了非线性本构模型,具体模拟了材料的开裂、拉伸软化、塑性屈服和压碎等非线性。研究中还给出了梁关键部位的应力应变全过程曲线,研究成果还与未考虑材料的非均质性的结果进行了比较。结果表明,混凝土类的多项非均质复合材料的静、动力学性能与其内部的细观结构组成有密切关系,混凝土中最薄弱的部位为粘结界面,混凝土的破坏明显表现出拉应变软化现象和局部化现象。数值模拟结果与有关试验成果较为接近。     

全级配混凝土三维细观模型的建模方法研究

根据混凝土材料细观结构特点,采用混合同余算法生成随机数,模拟混凝土骨料在形状和空间分布方面具有的随机性特点。按照混凝土级配理论,分析了不同级配混凝土细观组成特点,研究了不同粒径骨料的含量和分布规律,提出了一种高效的三维骨料生长和凸性判定算法,研究了骨料生长过程中的形状控制技术,避免了尖角、薄片状骨料的出现;在骨料投放过程中采用综合投放算法,大幅度提高了骨料一次性投放成功率和骨料体积含量,缩短了计算时间。在三维细观有限元网格剖分方面,采用向量判别法,优化了材料属性判定,提高了计算效率。算例表明,该文提出的细观模型,在模拟混凝土静力特性和冲击破坏特性方面具有较高的可靠性。