考虑纤维取向特征的超高性能混凝土三维细观断裂

钢纤维取向对超高性能混凝土(UHPC)力学性能有显著影响,传统实验方法较难直接控制纤维取向和分布,且缺乏可同时反映UHPC裂缝演化与纤维作用等复杂机理的三维细观模型,造成了定量分析和模拟验证纤维取向影响的困难。为此,首先开展了UHPC直接拉伸实验,采用外置磁场实现纤维定向并利用图像分析获得纤维倾角分布密度,通过数字图像相关技术(DIC)研究了纤维取向对断裂过程、应力–应变曲线的影响。其次建立了可显式考虑纤维取向和分布、不同倾角的纤维拉拔力本构以及基体离散粘性断裂的三维UHPC细观数值模型,并通过开展的直拉实验获得验证。结果表明：建立的细观模型能有效描述UHPC材料复杂的三维断裂过程;UHPC的应变硬化特性、裂缝发展与最终形态、纤维桥连作用等均受到纤维分布和取向等细观因素的影响。     

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X 射线计算断层扫描图像的混凝土细观断裂模拟

对混凝土试块进行了X射线计算机断层扫描(XCT)原位试验,提出了基于XCT图像的细观有限元断裂模型。此模型利用微观XCT图像信息高精度地模拟混凝土中的各相组成材料,即骨料、水泥浆以及孔洞,从而考虑了真实材料的非均质性。采用零厚度黏结裂缝单元进行了断裂模拟,裂缝单元被预先嵌入到水泥砂浆中以及其与骨料的交界面处,用于表征潜在裂纹。这些裂缝单元采用应力-相对位移本构关系来表征骨料咬合、裂缝面间的摩擦以及材料的黏结等作用。对该模型进行了混凝土单轴受拉数值仿真,通过与文献中试验以及模拟结果的对比,初步证实了该方法的有效性。