基于预插黏性界面单元的Koyna重力坝强震破坏过程分析

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Koyna重力坝的强震破坏过程进行了二维有限元模拟和分析,并与其它数值方法的结果进行了对比。结果表明,大坝的破坏开裂分布与Koyna大坝实际破坏情况及文献中的模型试验结果基本相符,说明黏性界面单元可以很好地模拟裂缝的断裂和扩展,验证了该方法的有效性。     

基于XFEM的砼重力坝强震破坏模式及抗震安全评价

扩展有限元法（XFEM）通过在相关节点的影响域上富集非连续位移模式,使得对非连续位移场的表征独立于单元边界,可以有效描述混凝土中的裂纹扩展。采用XFEM对Koyna重力坝地震破坏过程进行了分析,结果表明大坝开裂破坏分布与Koyna大坝实际破坏情况及文献中的模型试验结果相符,验证了计算模型的有效性。将其应用到国内某混凝土重力坝,得到了强震作用下的动力响应及破坏模式,并据此评价大坝的抗震安全性及抗震超载潜能。研究表明,强震作用下,大坝首先在下游折坡出现裂缝并扩展至上游面形成贯穿性裂缝,同时在坝踵、上游坡度变化处也容易出现开裂破坏;该重力坝在设计地震作用下,尚有1.59~1.76倍的超载裕度,其抗震安全性能满足设计要求。     

基于变形离散元法的重力坝地震开裂分析

考虑脆性材料Ⅰ型和Ⅱ型复合断裂情况,基于渐进破坏理论建立了混凝土损伤破坏模型,提出一种损伤开裂模型与变形离散单元法耦合的分析方法。模拟了Koyna坝在强烈地震作用下的渐进破坏过程,通过与室内模型试验及其他方法所得结果的对比,验证了该方法的可靠性和正确性。研究表明：坝体初始裂缝是由地震拉应力集中所致,坝体开裂后,裂缝周围应力重新分布,但缝端仍存在拉应力集中现象,导致裂缝不断扩张;裂缝发展可分4个阶段;裂缝贯通后,坝头与底部剧烈错动,坝体动能减小,摩擦功急剧增加。     

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。     

FRP加固混凝土梁受弯剥离破坏的有限元分析

FRP加固钢筋混凝土梁受弯剥离破坏是一种非常常见的破坏形式。首先基于微观尺度有限元分析,对受弯剥离破坏的机理进行了研究,提出了一个受弯剥离的双重剥离破坏准则,以及相应的界面粘结滑移关系,使得受弯剥离可以由基于普通弥散裂缝模型的混凝土单元来加以模拟,并开发出了相应的FRP-混凝土界面单元模型。将该界面单元嵌入通用有限元程序MSC.MARC,对45根受弯剥离破坏的试验梁进行了有限元分析。分析结果表明,提出的计算模型与试验结果吻合良好,可以真实模拟受弯剥离破坏过程。     

FRP片材与混凝土粘结性能的精细有限元分析

FRP-混凝土界面粘结性能是外贴FRP片材加固混凝土结构技术的关键问题。基于FRP与混凝土界面面内剪切试验,采用精细单元有限元模型对其界面粘结性能进行了研究。在该模型中,混凝土和FRP片材都使用非常小的单元加以模拟,通过调整混凝土材料的本构模型来考虑单元尺寸的影响。FRP单元和混凝土单元直接连接,通过混凝土单元的断裂破坏来模拟FRP和混凝土界面的宏观剥离破坏过程。通过与大量面内剪切试验结果对比,验证了该精细有限元模型的正确性,并基于精细有限元分析结果,对界面剥离破坏机理进行了讨论。     

坝基界面在非线性水压力驱动下的非线性断裂过程模拟

基于多边形比例边界有限元法和粘聚裂缝模型提出了混凝土坝坝基界面在随缝宽非线性变化的水压力驱动下的非线性断裂数值模型。混凝土和基岩采用多边形比例边界单元模拟,界面裂缝的断裂过程区采用粘性界面单元模拟。因为界面裂缝总是处于复合断裂模态,故同时引入了法向和切向的界面单元,且考虑了裂纹面作用有法向和切向任意荷载时的应力强度因子求解。以裂尖为原点,裂尖附近的位移场和应力场在径向上解析求解,在环向具有有限元精度。因此无需在裂尖附近加密网格或采用富集技术即可求得高精度的解。对于界面断裂,可模拟出与两种材料差异性相关的非1/2奇异性。断裂过程区的水压力随缝面宽度变化,采用指数函数的形式进行表征,通过参数调整可实现不同分布的水压力的模拟。水压力与粘聚力考虑为与裂缝宽度相关的组合函数,便于非线性迭代的实现。结合多边形网格生成和重剖分技术,可方便地模拟界面裂缝在水力驱动下的扩展过程。算例研究表明了该文模型的有效性,从中也可看出考虑缝内水压及其具体分布形式对研究坝的稳定性具有重要影响。     

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。     

GFRP复合材料与砖界面粘结性能的数值模拟

纤维复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)加固砌体结构剥离破坏是一种常见的破坏形式。对玻璃纤维复合材料(GFRP)和砖粘结界面进行数值模拟,用Solid65单元和Shell41单元分别模拟砖和GFRP,采用接触单元的方法,用"接触对"将砖实体单元和GFRP单元连接在一起,研究粘结界面的应力、应变分布特点和破坏过程。分析结果表明用有限元模拟分析粘结界面应力状态具有一定的可行性。     

层压复合材料分层扩展分析的虚拟裂纹闭合技术及其应用

提出一种基于虚拟裂纹闭合技术的界面元模型,用以模拟复合材料的分层破坏和预测结构的承载能力。界面元被嵌入在模型分层扩展路径上,计算结构的能量释放率,结合幂指数破坏准则,模拟复合材料的分层扩展。对由于裂尖单元长度不同所带来的分析误差进行了适当的修正,以降低网格粗细变化所带来的不利影响。为了检验该界面元的可靠性,分别将其应用于对双悬臂梁(DCB) 模型、端边切口(ENF) 模型和混合模式弯曲(MMB) 模型的分层扩展分析中。计算结果与解析解基本吻合,从而验证了采用该界面元模拟复合材料分层破坏的可行性。用该方法对3个含有不同初始损伤复合材料T型接头的界面拉脱分层破坏进行数值模拟,计算结果与试验数据吻合良好。      

用3D离散元实现Ⅰ/Ⅱ型拉剪混合断裂的模拟

将变形体离散元分别与弥散式旋转裂缝模型和分离式裂缝模型耦合起来,采用上述两种非线性断裂力学模型分析了混凝土、岩石等准脆性材料的Ⅰ/Ⅱ型拉剪混合模式的开裂行为,以实现从连续介质到非连续介质转化的数值模拟。基于变形体离散元方法的界面接触本构关系提出了混凝土Ⅰ/Ⅱ混合型开裂的拉剪分区开裂准则;基于缝面法向开度增大对刚度强度的逐渐折减实现了界面裂缝扩展的模拟。作为数值验证,通过单边切口非对称三点弯梁试验的数值计算与试验结果对比,表明两种断裂力学模型均能够合理预测裂缝的起裂和扩展,在混合形式的荷载条件下,裂缝通常以Ⅰ/Ⅱ型拉剪混合模式起裂,而后以Ⅰ型为控制方式稳定扩展。文末指出,基于离散单元法的分离裂缝模型能够实现系统在外载作用下破坏全过程仿真。     

粘贴钢板加固钢筋混凝土梁的分离式有限元模型

提出了外粘钢板加固受弯钢筋混凝土梁的非线性有限元模型。该模型中采用了一种特殊的、具有剥离破坏功能的界面单元来模拟混凝土梁和外粘钢板之间的粘结层,这种剥离破坏主要发生在粘贴钢板端部区域和弯曲、剪切裂缝附近。影响这种剥离破坏的主要因素有两个:一是粘贴钢板的端部与加固梁支座距离;二是粘贴钢板的厚度。传统的梁理论不能描述这种加固梁破坏模式,采用有限元方法能全方位地描述这种加固梁的各种性状和破坏模式。数值计算结果与粘贴不同厚度钢板加固梁的试验结果相吻合。     

基于分层壳单元与纤维梁单元组合剪力墙滞回性能分析

为系统研究带边框组合柱剪力墙组合结构的抗震性能,基于分层壳单元与非线性纤维梁单元,在ABAQUS软件中进行用户材料模型子程序二次开发。用分层壳单元模拟剪力墙,纤维梁单元模拟外围组合框架,分别对钢管混凝土组合框架、带钢管混凝土边框柱及型钢混凝土边框柱的组合剪力墙进行低周往复加载试验数值模拟。计算、试验结果总体吻合较好。在此基础上,对比分析该类组合剪力墙滞回性能、受力特征及破坏特征,数值模拟获得墙板在典型时刻的裂缝分布等与实测结果接近。研究表明,采用分层壳单元与纤维梁单元能较准确、有效模拟带边框柱组合剪力墙体系的滞回性能,亦能较好描述剪力墙裂缝发展情况。该方法可为实现高层建筑钢与混凝土混合结构体系抗震性能有效、准确的数值模拟分析提供参考。     

颗粒增强复合材料中界面破裂过程数值模拟研究

运用材料真实破裂过程分析RFPA系统,模拟研究了颗粒增强复合材料中的界面破裂过程及其对材料宏观力学性能的影响。所研究的复合材料由基体、颗粒和界面等三相材料单元组成。单元的破裂同时采用拉伸和剪切强度准则进行判断。分别研究了单颗粒和复杂多颗粒分布的情形。模拟结果不仅在应力场分布方面与MARC和ABAQUS等软件的分析结果一致,对于帮助理解颗粒增强复合材料的破坏机理具有重要意义。     

超高韧性水泥基复合材料与活性粉末混凝土界面剪切强度试验研究

该研究使用双面剪切试验对500 d长龄期的超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)、活性粉末混凝土(RPC)和UHTCC/RPC界面的剪切强度进行了测试,并结合数字图像相关技术对其破坏过程进行了观测。结果表明,UHTCC、RPC和UHTCC/RPC界面均表现出良好的剪切延性,在加载过程中均未发生脆性破坏。此外,改进浇筑工艺和提高粘结界面的粗糙度均能够提高UHTCC/RPC界面剪切强度。将现有的界面剪切强度计算经验公式与试验结果对比发现现有的经验公式无法准确预测UHTCC/RPC的界面剪切强度。该研究建立了UHTCC/RPC界面剪切试验的有限元分析模型,并使用COHESIVE单元模拟界面行为,模拟结果与试验结果吻合较好。     

考虑脱粘的复合材料加筋板屈曲后屈曲及承载能力数值分析

建立了复合材料层合加筋壁板的屈曲后屈曲有限元分析模型。该模型采用界面单元以有效模拟筋条和壁板之间的连接界面, 连接界面和复合材料层板分别采用Quads和Hashin失效准则作为失效判据, 引入材料刚度退化模型, 采用非线性有限元方法, 研究了复合材料加筋壁板在压缩载荷下的前后屈曲平衡路径及破坏过程。数值分析结果与实验结果吻合良好, 证明了该方法的合理有效性。详细探讨了筋条尺寸及界面单元强度等参数对加筋壁板屈曲后屈曲行为及承载能力的影响规律, 研究表明增加筋条截面惯性矩及筋条密度在一定程度上能有效提高加筋板的屈曲载荷与极限强度, 筋条密度增加到一定程度会引起结构破坏形式由失稳破坏?湮顾跗苹? 界面强度与铺层方式对极限强度有重要影响, 界面脱粘是引起加筋板最终破坏的重要因素。      

钢筋混凝土嵌入式滑移模型

提出一种钢筋混凝土嵌入式滑移模型,将模拟钢筋-混凝土交界面的无厚度粘结单元嵌入到混凝土单元中,保证粘结单元上、下表面分别与混凝土、钢筋单元变形协调,尔后通过两表面位移差值表征钢筋滑移。基于虚功原理集成钢筋、混凝土和粘结单元的刚度贡献,建立了嵌入式滑移模型的有限元平衡方程。应用该模型分析钢筋混凝土简支梁破坏试验,获得的构件承载力、裂缝分布形态和破坏模式与试验结果接近。结果表明:嵌入式滑移模型在分析钢筋混凝土结构承载力和裂缝形态方面具有一定的应用前景。     

粘着应力拉伸过程数值模拟及粘着应力模型

为了精确计算粘性介质压力成形过程中粘性介质/板材界面粘性附着作用,分析了压力、剪切速率、温度等因素对粘着应力的影响,提出了粘着应力计算模型.将提出的粘着应力模型引入有限元分析软件中,对粘着应力拉伸过程进行了数值模拟,并将计算结果与试验结果进行对比,验证提出模型的可靠性.结果表明:采用建立的模型预测的试样伸长量及应变分布与实验测量结果具有较好的一致性.说明建立的粘着应力模型可以准确反映板材/粘性介质界面粘着应力大小,为精确模拟粘性介质压力成形过程提供了模型.     

用基于流形元的子域奇异边界元法模拟重力坝的地震破坏

本文提出了用流形无法和子域奇异边界元法相结合模拟结构地震响应及地震破坏的方法。流形元法的独特的网格及接触的处理方式,使该方法不仅可以象有限元法那样精确地分析结构的变形和应力,还可以象ＤＤＡ、ＤＥＭ等不连续分析方法那样模拟不连续面的接触和块体的运动．本文将Ｎｅｗｍａｒｋ法引入流形无法,使得该方法可以直接用来分析动力学问题。与作者提出的子域奇异边界元法相结合,可以模拟裂缝沿任意方向扩展及结构的地震破坏问题。对Ｋｏｙｎａ重力坝进行了地震破坏模拟分析,很好地再现了该坝的破坏过程,模拟破坏形式及裂缝出现的位置与实际调查结果、实验结果及其他学者用模糊裂缝模型得到的破坏结果吻合良好。     

基于分子动力学模拟结果的界面破坏准则

结合材料的破坏通常都是从界面或其附近发生的,但界面破坏的机理及其评价准则尚未十分清楚。采用分子动力学模拟方法,可以对结合材料的界面起裂过程进行模拟,从而获得结合材料界面应力和界面破坏之间的关系。虽然在分子动力学模拟中采用了高度简化的界面模型,但对界面起裂过程的模拟,仍可以帮助人们获得结合材料界面破坏过程的规律性认识。通过在界面附近引入初始裂纹,导致界面上应力集中,从而引起界面起裂。从分子动力学模拟结果出发,提出了一个结合材料界面起裂,即界面破坏的准则。