赵娟[1]2006年在《混凝土试样损伤的细观数值演化分析》文中研究说明混凝土是土木工程中广泛应用的一种建筑材料，目前已经逐渐被应用到核电站安全壳、海洋平台、高拱坝等复杂结构中。对于这些复杂结构，正确的分析和合理的设计又必须依赖于混凝土多轴受力状态下的本构关系和破坏准则。从目前来看，材料力学试验和细观数值分析是两条重要途径，而混凝土多轴受力试验无论是加载设备还是测试技术均是相当复杂的。因此，随着高性能计算机以及数值算法的迅速发展，相对更为廉价的细观数值分析有望弥补或替代部分材料试验。本文主要是借助大型有限元软件Ansys的二次开发来进行数值模拟，从细观层次上研究混凝土在单轴载荷作用下的损伤断裂过程。 利用计算机图形学多边形重迭判断及区域填充算法，生成可考虑任意凹凸形状、大小的随机骨料模型，并且在二维骨料的生成过程中添加人工干预部分。对随机骨料模型进行有限元网格自动剖分，然后借助计算机生成符合随机分布的力学参数，并把它们分配给相应的单元，这样就生成了可进行数值试验的“混凝土试样”。细观单元可以发生拉伸损伤和压剪损伤，采用折线型损伤本构模型。 针对工程中常用的C20和C35混凝土，生成了相应的数值试样，对它们进行了单轴载荷下的数值模拟。根据得到的应力-应变曲线和裂纹演化图，分析了混凝土的损伤断裂过程。结果表明，首先是位于混凝土骨料多边形角点处的界面单元发生损伤和破坏，进而微裂纹逐渐扩展、贯通成宏观裂缝而导致其失稳破坏。在此基础上，研究了材料的力学参数、随机骨料的填充率、本构曲线、弹性模量的残余系数，以及随机分布等对试样在单轴载荷下的力学性能的影响，并对结果相应地进行了定量和定性分析。 总之，本论文为混凝土力学性能的数值模拟提供了新的研究途径，是进行混凝土在多轴受力情况下的数值模拟的基础性工作。
曹文平[2]2012年在《高强高性能混凝土细观数值演化分析》文中研究指明在细观层次上，混凝土可以看作为由水泥基项、分散粒子和界面过渡层组成的叁相复合材料。多年以来，人们对混凝土进行了广泛的研究，但多半局限于宏观方面。相对于普通混凝土，高强高性能混凝土(HSHPC)由于强度高、耐久性好和工作性能优越成为未来混凝土技术发展的方向，但目前国内外对它的认识还处于初级阶段。基于上述现状，本文提出一种模拟高强高性能混凝土细观结构的方法，从细观层次揭示HSHPC宏观力学性能和断裂过程，建立多相细观到宏观联系的多尺度研究方法，为研究HSHPC的破裂机制奠定基础。论文主要研究工作有：（1）基于骨料分布和形态的随机特性，将瓦拉文公式推广应用于确定二维混凝土试件截面凸多边形骨料分布。提出了以圆形骨料模型中圆骨料的面积为控制参数，以圆形骨料内接多边形为基架的凸多边形随机骨料算法。（2）借助ANSYS软件对随机骨料模型进行有限元网格剖分，并赋予各相细观单元相应的力学性能参数；基于损伤有限元分析方法，利用APDL语言编译损伤有限元计算程序，生成可进行数值试验的“高强高性能混凝土数值试样”。（3）以C80混凝土作为高强高性能混凝土的代表，生成相应的数值试样，对其进行单轴载荷下的数值模拟，得到了相应的应力-应变曲线及损伤单元演化图，并将数值模拟结果同真实试验结果进行对比，对比结果吻合较好，表明数值模拟是准确和可靠的；在此基础上对高强高性能混凝土数值试样进行无约束单轴受压和受拉数值试验，通过改变骨料和砂浆力学参数探讨其对混凝土宏观力学性能的影响，得出改变骨料抗拉强度是改善高强高性能混凝土力学性能的主要途径这一结论。本文以细观数值分析为手段，致力于为高强高性能混凝土的研究提供一定的理论基础，有助于科研人员理解混凝土内部组份的相互作用机理，并为进一步研究混凝土在复杂应力作用下的力学性能提供参考。
王康[3]2015年在《细观裂纹扩展致混凝土材料与结构失效的多尺度分析方法》文中研究表明混凝土是由水泥砂浆基质与骨料组成的一种复合材料,在宏观尺度下分析时一般将其假设为连续均匀的固体,忽略材料内部在细观尺度下存在的大量细观裂纹。这些细观裂纹主要分布在基质与骨料之间的界面上,在混凝土材料和结构服役过程中会发生裂纹跨尺度扩展。因此,混凝土材料与结构的失效是以这些细观裂纹为主导的损伤从细观尺度到宏观尺度的跨尺度演化导致的。基于混凝土材料细观结构特性和失效机理,对以细观裂纹扩展为主导的材料损伤跨尺度演化致混凝土结构失效的过程进行分析,进而探讨损伤跨尺度演化对混凝土构件与结构宏观力学性能的影响,是研究混凝土损伤演化过程和失效机理的关键。本文从混凝土材料损伤与破坏机理出发,基于混凝土细观裂纹扩展模型和数值分析方法,分别模拟分析了在混凝土材料、构件、结构层次上损伤跨尺度演化致失效的过程,探讨了损伤跨尺度演化对混凝土材料、构件、结构的不同层次上宏、细观力学性能的影响。本文完成的主要工作及成果有：1.应用断裂力学和损伤力学的概念、方法分析了不同尺度下混凝土材料损伤与破坏的特征；在对比分析了现有的各种混凝土材料细观模型的基础上,选择了从混凝土失效机理出发的细观多裂纹模型作为本文数值分析研究的工具。应用细观多裂纹模型,首先计算分析了细观裂纹主导的损伤跨尺度演化致混凝土材料失效的过程。在验证了模型有效性的基础上,结合宏、细观损伤分析方法定量分析了损伤跨尺度演化过程,并对不同配合比的混凝土试样进行了单轴拉伸过程的数值模拟。研究结果表明,混凝土在单轴拉伸作用下材料内部基质与骨料之间的界面上的细观裂纹经历了分布式生长、细观裂纹聚合、宏观裂纹形成与扩展、发生断裂的损伤跨尺度演化过程,与之同时试样的宏观力学响应则对应地经历了线弹性响应阶段、非线性强化阶段、软化阶段和应变跳回(Snap-back)现象；通过以损伤导致有效承载面积减少的方式建立宏、细观损伤变量之间的联系,揭示了损伤演化的非线性串级发展过程及其对混凝土材料宏观力学性能的影响,发现随着损伤的增加,混凝土材料变形的延展性增大,强度减小,破坏模式趋复杂。2.在损伤演化致混凝土材料失效分析的基础上,进而计算分析了受弯混凝土构件损伤跨尺度演化致失效的过程。分别对含初始宏观裂纹和不含初始宏观裂纹的混凝土梁损伤受弯曲变形过程进行数值分析,建立了受弯混凝上构件损伤演化的多尺度模拟方法并进行了尺寸效应对混凝土梁力学性能影响的数值试验：基于混凝土疲劳破坏机理和简化的Paris疲劳裂纹扩展准则,改进了混凝土材料细观多裂纹模型并进行了混凝土梁疲劳裂纹扩展的数值试验。研究结果表明,在混凝土梁构件中,以细观裂纹扩展为主导的损伤跨尺度演化首先引起局部较不利位置混凝土材料的失效,随着发生局部材料失效的区域逐渐扩大,混凝土梁的抗弯承载能力逐步下降,最后导致混凝土梁在构件层次的失效；发生在不同尺寸受弯混凝土构件中的损伤跨尺度非线性串级发展导致了混凝土梁的尺寸效应,随着混凝土梁试样尺寸的增大,其名义强度减小,断裂能增大,且宏观力学性能数据的离散度减小；在不同疲劳应力水平作用下混凝土梁的疲劳损伤演化和最终破坏形态存在差异;以混凝土梁抗弯刚度的退化程度来描述其疲劳损伤能得到混凝土试样的疲劳损伤演化曲线,发现第i次循环加载造成的损伤量与其之前所处的损伤状态有关：基于数值试验拟合得到的S-N曲线能估计单一应力水平下混凝十梁的疲劳寿命,而基于疲劳损伤累积分析方法能估计复杂应力水平加载下混凝土梁的疲劳寿命。3.在混凝土材料与构件损伤演化致失效分析的基础上,进而研究了混凝土坝体结构损伤跨尺度演化过程的多尺度分析方法。基于均匀化理论建立了混凝土重力坝损伤演化的多尺度分析模型,探讨了其在水平地震力、垂直地震力、洪水作用下坝体结构中的损伤分布,并分别模拟了其损伤跨尺度演化致结构失效的过程。研究结果表明,选取合适的代表性体元使其包含足够的细观裂纹进行分析,就能够既在细观层次上考虑混凝土材料的叁相特性和细观缺陷特征,又能够在宏观结构层次上将混凝土重力坝的材料近视视为均质材料；在不同的工况下,重力坝结构中由细观裂纹扩展为主导的损伤跨尺度演化过程与最终破坏形态存在着差异,且损伤演化主要集中在坝头、坝踵以及上下游坝面等拉应力较大区域,在大坝的设计及优化中应当考虑这些损伤演化特性提出相应的加固措施。综上所述,本文发展的基于细观多裂纹模型进行细观裂纹扩展致材料与结构失效的多尺度分析方法,同时考虑了细观尺度和宏观尺度下的损伤特征,能够从材料、构件、结构层次揭示混凝土损伤跨尺度演化致失效的过程和机理；并通过应用于受弯混凝土构件力学性能分析,成功的揭示了混凝土构件损伤跨尺度演化引起的力学性能的尺寸效应,也能揭示循环荷载作用下混凝土受弯构件的疲劳损伤跨尺度演化特性,结合均匀化理论可初步开展坝体混凝土结构的损伤演化多尺度分析,并依据获得的分析结果给水坝结构工程的安全设计提出指导性建议。
田威[4]2009年在《混凝土损伤演化的CT研究及其在细观数值模拟中的应用》文中认为混凝土类岩土材料的破裂过程,是一个复杂的非线性材料损伤演化过程,一直是力学、材料和工程等各学科的研究热点和难点之一。破裂过程主要表现在材料内部初始缺陷能量积聚,微裂纹不断萌生,扩展、贯通直至整体失稳的过程,其宏观表现为材料力学性能的不断劣化。本文将细观力学、损伤力学、统计理论和数值计算理论相结合,运用可以有效观测材料细观损伤演化的CT技术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,以此来分析混凝土的裂纹扩展及破坏形态,揭示出混凝土材料的损伤破裂机理,本文的研究工作可以总结为以下几个方面：(1)详细介绍了最新研制的便携式CT实时动态加载设备的组成,技术指标及其特点,该仪器是国内最新为CT试验配套的动态实时加载设备,可以实现动态加载,尤其是能进行动力拉伸试验。并利用最新研制的便携式CT实时动态加载设备开展混凝土静、动力实时CT试验。(2)以混凝土材料的静力压缩、动力压缩、静力拉伸、动力拉伸的CT图像为研究对象,充分利用CT扫描信息,提出了多种CT图像、CT数分析方法,并对混凝土材料的细观损伤破裂过程进行研究,得到混凝土材料在静力压缩、动力压缩、静力拉伸、动力拉伸时的破坏特点。(3)依据CT裂纹演化规律,对混凝土破坏阶段进行分类。并利用同一断面不同应力阶段的两幅CT图像进行差值运算,通过差值图像中的低密度带表现为环状或线状影像来判断裂纹是否开裂。(4)根据混凝土破坏过程所处的阶段,对混凝土材料进行了分区描述,定义了混凝土材料的安全区、损伤区、破损区,对分区的CT阈值标准进行了探讨和经验选定。在此标准下,对CONC-10试样的扫描断面进行分区,并对各个分区上混凝土CT数随加载过程的变化规律以及破损区产生的条件进行研究。(5)利用分形理论方法,以混凝土静力压缩、动力压缩CT图像为研究对象,估算出不同扫描断面不同应力阶段的CT图像分形维数,并且在VB和MATLAB语言的基础上进行了程序可视化的开发。通过分维数的变化分析混凝土材料在静力压缩、动力压缩条件下的细观损伤演化过程。(6)本文通过总结前人依据混凝土CT试验建立的损伤本构模型,结合本文的分析结果,对混凝土的损伤变量和损伤本构模型做了进一步研究。基于混凝土损伤演化特性的细观CT试验,运用不同的方法定义了混凝土材料不同的损伤变量,并建立了相应的损伤演化方程。并以CT数变化建立的分段损伤演化方程为代表建立了损伤本构关系。将密度损伤(CT数变化)变量为基础建立的混凝土损伤演化方程和损伤本构关系与宏观力学性能的劣化相联系。(7)采用以CT数变化建立的损伤本构关系进行静载作用下混凝土试件单轴受压试验的细观数值试验。并将混凝土数值试验结果与CT试验结果进行详细的比较和分析,实现了采用细观上的简单本构关系模拟宏观上复杂的破裂现象,为改进试验设计提供力学依据,并使在可靠和有效的前提下用数值方法取代部分试验成为可能。(8)本文直接从CT扫描的数据入手,进行图像的叁维重建研究。运用Matlab环境下CT切片图像的叁维体重建和MIMICS环境下CT切片图像的叁维重建两种不同的方法对混凝土叁维细观结构进行重建,以期待可以得到混凝土真实的细观结构。利用CT试验叁维重建模型进行了混凝土破裂过程的细观数值模拟,以便与CT试验结果相比较,从而校正数值分析模型。
丰茂东[5]2010年在《混凝土试件静动力破坏过程细观数值模拟》文中提出近来,随着混凝土力学性能研究的深入和计算机技术的飞速发展,通过混凝土力学性能试验与数值仿真相结合来研究混凝土的力学特性日益受到重视,而细观数值模型比较宏观模型更能有效考虑材料组成的不均匀性和混凝土的局部破坏特征。在生成与真实混凝土相似的混凝土骨料模型的基础上,混凝土材料破坏过程的细观数值试验能否得到合理结果,一方面取决于如何选择和确定单元的破坏准则及单元刚度矩阵的退化规律；另一方面取决于细观单元材料参数的选取。同时,由于细观单元数量庞大,选择合适的计算方法,提高计算效率也是该问题的关键。本文在细观层次上把混凝土看作是由粗骨料、水泥砂浆基质和二者之间的界面所组成的叁相非均匀复合材料,自行编译FORTRAN细观损伤有限元计算程序,采用Tecplot软件进行后处理,来模拟混凝土的宏观力学性能。具体来看,论文工作包括以下几个部分：(1)为了反映混凝土的实际浇注情况,建立随机凹凸骨料数值模型。随机骨料的生成过程中,一方面通过骨料粒径极值比阈值的方法,剔除奇形骨料颗粒；另一方面,在骨料填充之后,进行颗粒局部交迭区域的微小步长自动细致调整,既保证了骨料目标填充效率及成功率,又兼顾了骨料形状与分布的随机性。(2)为模拟混凝土宏观应力-应变曲线的软化段,在简单的弹性损伤本构的基础上,对混凝土细观单元随机参量的选取进行探讨,得出以弹性模量和强度的乘积作为综合随机参量,同时以弹性模量也作为随机参量,来生成细观单元的物理参数可以获得较好的应力-应变曲线。(3)采用(2)所述材料生成方法,对混凝土立方体试件进行单轴荷载下的数值模拟,根据得到的应力-应变曲线和裂纹演化图,分析了混凝土的损伤断裂过程；对预制裂纹的混凝土试件进行拉伸、压剪数值试验,得到混凝土拉伸断裂及压剪断裂破坏过程；建立单颗骨料混凝土试件,探讨界面强度对混凝土宏观强度的影响,同时探讨骨料形状对裂纹扩展的影响。在建立单颗骨料及双颗骨料模型的基础上,对混凝土裂纹最容易扩展路径进行数值模拟分析。最后,对混凝土试件在单轴动态位移荷载下的力学性能进行数值模拟。
李杰[6]2016年在《含初始缺陷的焊接结构损伤演化致破坏的数值分析》文中研究表明焊接结构的损伤演化过程往往起始于焊接细节处的初始细观缺陷,这些细观缺陷在结构服役过程中经过损伤演化逐渐发展到宏观尺度,最终可能导致构件或结构的失效。这一过程宏观上表现为构件或结构的力学性能不断下降,其内在的物理机制则是初始缺陷从细观到宏观的跨尺度演化。目前,由于我们对构件、结构损伤演化的内在物理机制认识还不够充分,这直接导致损伤演化的表征方法大多停留在单一尺度上,或是单一的细观尺度描述细观缺陷物理形态,或是单一的宏观尺度描述损伤导致的力学性能衰退,缺乏完善的损伤跨尺度表征方法；另一方面,绝大多数焊接结构损伤分析中忽略了初始缺陷的作用及其对结构整体和局部损伤演化规律的影响。因此,本文首先从焊接构件或结构损伤的细观物理机制出发,采用宏、细观相结合的方法建立的损伤表征变量,对考虑焊接损伤区初始缺陷的焊接构件的损伤演化方程和本构关系进行探讨；其次,在焊接结构中依据X-CT缺陷扫描结构进行细观缺陷重构,建立含细观缺陷的焊接结构损伤分析的有限元模型,在对考虑初始缺陷的焊接钢结构损伤演化分析后,探讨考虑初始缺陷的焊接钢结构或构件损伤演化过程的规律和细观缺陷演化的形态特征,并考察初始缺陷的含量对结构局部细节损伤演化过程的影响。具体而言,本文完成的主要工作和研究结果包括：首先为了描述细观裂纹主导阶段的损伤行为,基于细观裂纹扩展中的分形特征,建立了分形损伤变量。通过对比焊接构件单轴拉伸下的数值模拟结果与试验现象,发现：模拟得到的焊接损伤区损伤分布和断口形貌均与试验结果相一致,同时分形损伤变量对损伤的表征结果与传统宏观表征结果吻合较好,从而确定了使用分形维数描述由细观裂纹扩展引起的损伤演化的合理性和正确性。其次由于细观裂纹的萌生始于细观孔洞开始聚合形成细观裂纹带,为了描述包含细观孔洞主导和细观裂纹主导两个阶段的损伤演化过程,借鉴并使用GTN模型中孔隙率的方式描述细观孔洞主导阶段的损伤行为,当损伤达到细观孔洞临界聚合体积分数时,标志着损伤的物理形态转变为细观裂纹,进一步使用细观裂纹扩展过程中的分形维数描述细观裂纹主导阶段的损伤行为。在建立了合适的损伤表征方法后,为了探讨细观孔洞和细观裂纹分别作为焊接损伤区中的初始缺陷形态时对焊接构件加载过程中损伤演化规律的影响,将分形损伤变量和体积-分形损伤变量嵌入到材料本构方程中,并基于焊接损伤区细观缺陷重构结果建立了焊接构件有限元模型。对焊接构件损伤演化过程进行数值模拟的结果发现：当焊接损伤区中的初始缺陷为细观孔洞时,损伤演化过程经历了细观孔洞主导阶段和细观裂纹主导阶段；在累积塑性应变达到0.018时,焊接损伤区中的损伤的物理形态由细观孔洞转变为细观裂纹,细观孔洞阶段的损伤演化速度要远远小于细观裂纹阶段；其次,对比初始缺陷分别为细观孔洞和细观裂纹两种情况下的焊接损伤区损伤演化过程,发现细观孔洞会对后续细观裂纹的演化速率起到一定的削弱,这表明初始缺陷的物理形态对损伤演化后期速率确有影响。为了进一步分析大型结构在复杂工况下从初始缺陷演化开始致使结构整体失效的损伤演化过程,建立了考虑初始缺陷的大跨桥梁钢箱梁结构中的典型加劲桁架结构有限元模型。模拟钢桁架在位移和力控制的循环荷载作用下的损伤演化过程,来分析考虑焊接损伤区和母材初始缺陷后,结构整体以及局部的损伤分布和损伤的演化规律。结果发现：结构的危险区域为下弦杆节点与斜腹板连接的焊接损伤区处,损伤较大值出现在焊接损伤区与节点的连接面上,进而可以确定结构局部的失效路径是沿着焊接损伤区与节点连接面,由焊接损伤区一端向另一端扩展。通过控制初始损伤来实现对初始缺陷含量的设置,当初始缺陷均为细观孔洞时,缺陷含量对不同损伤主导形式阶段的演化速率没有明显的影响,但较大的初始缺陷含量会在损伤演化后期提升焊接损伤区处细观裂纹的分布范围,并使得结构局部失效路径呈现多样化。与焊接损伤区处初始缺陷相比,母材中的初始缺陷对后期结构整体宏观力学性能影响不明显,可以在实际工程计算中忽略。综上所述,文中建立的损伤表征变量从金属延性断裂的物理机制出发,阐述从初始缺陷出发的损伤演化机制和规律,并使损伤的表征结果具有鲜明的物理意义。结果表明：局部焊接损伤区中初始缺陷在复杂应力水平下经历物理形态上的演化最终导致结构的失效。这些工作为考虑初始缺陷的焊接钢结构损伤演化数值分析提供了新的思路和方法。
李芬[7]2006年在《沥青混凝土路面细观结构和水破坏研究》文中研究指明本文从细观角度出发将沥青混凝土视为集料、沥青基质和孔隙组成的叁相复合材料，通过对沥青混凝土水破坏的宏细观试验，对沥青混凝土水破坏进行了研究。在此基础上实现了沥青混凝土材料细观结构的建模，并对其水破坏过程进行数值模拟。 通过定量分析沥青混合料内部结构的变化更好地掌握了水破坏机理。比较试件无水与饱水状态下的疲劳破坏现象：在宏观裂隙上无水为劈裂，饱水为剪裂；在细观结构上，无水疲劳破坏过程中沥青基质面积稍有增加，而饱水疲劳的沥青基质面积明显减小。反映出水破坏过程中沥青从集料上剥落的过程，即从细观层面上反映出了沥青混凝土水破坏机理。且试件裂纹的演化、发展与其初始空隙分布和集料的长轴取向密切相关。同时在试验过程中采用超声波技术进行沥青混凝土的探伤研究。获取沥青混合料在载荷作用和环境影响后的损伤与声速变化之间的关系，用试件断面孔隙率变化来表征沥青混凝土的损伤，试验结果表明沥青混凝土损伤与超声波速降低之间具有较好的指数关系；并采用超声波技术检测沥青混凝土裂缝深度，为定量评价路面早期损坏程度提供了依据。 本文还采用分形理论对混合料内部结构的复杂程度进行了量化，即沥青混合料断面CT图像不同的分形维数反映出断面的复杂程度不同。采用细观结构分维值和孔隙率变化作为研究细观缺陷演化的定量指标，对沥青混合料疲劳损伤演化过程进行了研究，并得出相应的损伤演化方程。 在试验研究的基础上，本文提出了一种考虑沥青混凝土材料真实细观结构的二维数值分析方法，研究沥青混合料在单轴压缩下的破坏过程，模拟了沥青混凝土材料从裂纹的萌生、扩展、贯通直到宏观裂纹产生导致破坏的过程，模拟结果与CT试验结果进行了对比分析，取得较好的模拟效果，表明建立的细观模型可应用于该材料的力学性能和破坏过程研究。在考虑孔隙水压力后的水破坏数值模拟结果表明，沥青混合料内部裂纹的扩展不仅与细观结构有关，还受到孔隙水压力的影响。饱水状态下沥青混合料内部形成的裂缝过程区比无水状态下形成的裂缝长且发育得较宽，反映有水的条件下试件更易发生破坏，因而疲劳寿命大大缩短。在二维细观模型的基础上，进一步
张明[8]2012年在《钢筋混凝土试件破坏过程的细观数值模拟》文中指出钢筋混凝土和混凝土作为重要的建筑材料在各个领域被广泛的使用。长期以来,在混凝土和钢筋混凝土应用的各个领域,人们对它们的力学特性进行了大量研究,怎样充分的利用它们的力学特性,建造出更经济,更安全,更合理的工程结构,一直以来都是结构设计领域研究工作的重要课题。对固体材料的损伤破坏过程进行描述是力学研究的难题之一,同时也是力学界和材料学界奋斗了近一个世纪的有关材料多尺度分析、跨学科命题。在本论文中,混凝土和钢筋混凝土从细观层次上,采用自编有限元程序对其在单轴拉伸和单轴压缩荷载作用下进行数值模拟,并对计算结果进行分析,给出混凝土和钢筋混凝土的应力-应变曲线以及损伤演化过程,具体内容和结论如下：(1)对于混凝土随机骨料模型的生成,由于骨料颗粒其粒径、形状的随机性,在计算中采用凹凸骨料都存在的算法。(2)随机生成150mm×150mm混凝土骨料模型叁个试样,静态荷载作用采用位移加载方式,对混凝土在单轴拉伸、压缩作用进行计算,得出混凝土的应力-应变曲线,对其损伤演化进行分析。(3)随机生成150mm×150mm钢筋混凝土骨料模型叁个试样,在本论文中把钢筋和混凝土界面定义为有厚度的方法,静态荷载作用采用位移加载方式,对钢筋混凝土在单轴拉伸、压缩作用下进行计算,得出钢筋混凝土的应力-应变曲线,此曲线位于一个合理的范围内,并对其损伤演化进行分析。这种定义界面为有厚度的方法是可行的,这也为以后更好的研究钢筋和混凝土之间的界面力学性能提供了一种方法。(4)通过选取钢筋混凝土试样的叁个断面的八个不同部位得出在不同迭代步下的应力曲线,从而找到一些简单的规律,初步假定了钢筋混凝土在单轴拉伸过程当中钢筋的影响区域和钢筋直径的关系。(5)以150mm×150mm为标准增加混凝土和钢筋混凝土试件的宽度,随着宏观尺寸的增加,混凝土和钢筋混凝土在单轴拉伸、压缩荷载作用下的应力峰值不会随着宏观尺寸的增大而增大,而是存在一种尺寸效应,整体上来看随着宏观尺寸的增大应力峰值降低最终趋于平缓,稳定。在钢筋混凝土试件中,钢筋对尺寸效应有一定的影响。
郭洋[9]2014年在《硫酸盐侵蚀混凝土细观动态本构关系研究》文中指出硫酸盐广泛存在于大气、土壤以及水体之中，在长期作用下可导致混凝土力学性能劣化乃至膨胀破坏，硫酸盐腐蚀已成为对混凝土结构耐久性影响最大的环境腐蚀之一。在细观层次上，混凝土由砂浆、粗骨料以及过渡界面组成的叁相复合材料。建立基于粗骨料真实分布特征的细观数值模型，掌握硫酸根离子在混凝土中的扩散规律及砂浆受硫酸盐侵蚀的劣化规律，是深入了解硫酸盐侵蚀混凝土材料动态力学性能劣化规律及其损伤演化规律的关键。利用改进的硫酸钡重量法对不同腐蚀周期砂浆和混凝土试块进行了硫酸根离子浓度的检测与分析，对硫酸根离子在砂浆中的扩散规律进行了研究；对不同侵蚀周期的砂浆试块进行了动态抗压试验和抗折试验，研究了硫酸钠侵蚀对砂浆强度应变率效应的影响；测试了混凝土在不同加载速率下的劈裂抗拉强度。研究结果表明：随着腐蚀周期的增长，硫酸根离子的扩散速度逐渐减慢；硫酸钠侵蚀砂浆的抗压强度随着应变率的增长而增长，并且在不同的侵蚀周期表现出不同程度的率效应。使用MATLAB图像处理技术，在尽量保持骨料真实面积和形貌的前提下，对混凝土截面骨料边界进行了多边形拟合。首先得到了骨料顶点坐标值,进一步采用多边形拟合数据的方式对骨料的几何特征信息进行了统计分析。统计结果表明：多边形骨料边数、形状不规则度和尺寸不规则度服从高斯分布，骨料面积以及等效半径服从对数正态分布。并在此基础上建立了混凝土二维细观数值模型。基于ABAQUS有限元平台，分别使用蒙特卡洛方法和骨料多边形分析结果，建立了随机圆形骨料模型和多边形骨料模型，并分析了二者的数值模拟结果。结果表明：多边形骨料模型比圆形骨料结果更接近于实验结果，更能反映混凝土内部的实际损伤情况。另外，使用细观数值模型对混凝土抗压实验和混凝土劈裂实验进行了数值仿真，分析结果表明：细观数值模型可较好的反映混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度的率效应；随着应变率的增加，混凝土内部损伤面积逐渐扩大。建立了硫酸根离子浓度与砂浆强度的关系，对硫酸盐侵蚀混凝土力学性能劣化规律进行了预测。
薛兵[10]2017年在《基于细观尺度的钢纤维混凝土损伤破坏数值模拟研究》文中认为本文针对以钢纤维混凝土损伤破坏问题,从细观角度出发,采数值计算方法,建立钢纤维混凝土细观数值模型,对钢纤维混凝土的损伤破坏过程进行模拟计算,从宏观和细观的角度对破坏过程进行深入分析,获得了钢纤维混凝土力学性质同各影响因素之间的关系,揭示了钢纤维混凝土细观损伤破坏规律。首先,依据混凝土配合比理论和实际钢纤维混凝土配合比,利用MATLAB数学软件,建立钢纤维混凝土二维几何模型;针对建模过程中钢纤维与钢纤维相交判断和钢纤维与骨料相交判断问题,引入矢量算法,减少了计算工作量,提高了建模质量和速度;将矢量相交判断方法与扫描排序算法相结合,提高了骨料、钢纤维投放数量和投放速度;依托MATLAB中的GUI平台,编制了钢纤维混凝土二维建模软件,依托界面操作窗口,能够简洁、迅速地生成钢纤维混凝土平面模型;在骨料与钢纤维满足随机分布的几何模型上,依据随机力学参数模型,建立了力学参数满足Weibull分布的钢纤维混凝土细观数值模型。其次,开展了钢纤维拔出物理试验,获得了不同长度、不同形状钢纤维的荷载-位移曲线,在此基础上依据弹脆性损伤本构模型,对钢纤维拔出过程进行数值模拟;引入界面破坏量阀值,认为当界面的破坏量超过此值后钢纤维进入滑移阶段,对滑移阶段界面单元的弹性模量进行重新赋值,依据实际拔出试验中钢纤维滑移段的荷载曲线,用界面单元的弹性变形模拟钢纤维的刚体滑移,用弹性力模拟滑动摩擦力,取得了较好的模拟效果;开展了不同长度的单根钢纤维拔出试验的数值模拟研究,获得了钢纤维界面应力传递规律;将钢纤维拔出物理试验获得的位移-荷载曲线与数值模拟得到的位移-荷载曲线进行对比分析,结果表明,无论从峰值荷载、滑移荷载还是荷载变化规律上,数值计算结果均与物理试验结具有很好的一致性,验证了本文提出数值模型的准确性。第叁,以钢纤维水泥砂浆数值模型为基础,依据弹脆性损伤本构模型,开展了钢纤维砂浆试件单轴拉伸、单轴压缩数值模拟。在此基础上研究了端部摩擦约束、钢纤维几何形状、钢纤维含量对模拟结果的影响。从宏观力学特性、细观裂纹演化、细观单元损伤破坏发展叁个方面进行深入分析,建立了钢纤维砂浆试件在典型荷载下的宏观力学响应与细观单元损伤之间的联系,揭示了钢纤维在试件损伤破坏过程中的内力变化规律,获得了钢纤维对试件增强、增韧、阻裂效果与钢纤维角度、钢纤维尺寸和钢纤维含量之间的关系。最后,以骨料、钢纤维位置随机分布的钢纤维混凝土二维数值模型为基础,应用随机力学参数模型,基于弹脆性损伤本构理论,模拟了钢纤维混凝土试件在典型单轴拉伸、单轴压缩荷载作用下损伤破坏的全过程。分别模拟了不同基体强度、不同骨料形状以及含孔隙的钢纤维混凝土试件的单轴压缩全过程。结果表明,在几何参数不变的情况下,随着基体强度的提高,钢纤维混凝土试件的抗压强度随之提高,试件在破坏时的脆性特性越明显,骨料的损伤破坏量越大;在满足钢纤维分布情况相同,骨料投放面积相同的情况下仅改变骨料的形状,表明对CF80高强钢纤维混凝土而言,骨料形状对试件力学特性的影响较小;含有孔隙缺陷的钢纤维混凝土试件的损伤破坏过程更加复杂,抗压强度下降较为明显,裂纹发展不再遵循简单顺序,随机性更强,更符合实际钢纤维混凝土特点。研究表明,本文建立的细观数值模型能够有效地模拟钢纤维混凝土试件的损伤破坏过程,实现了从细观角度研究钢纤维混凝土裂纹萌生、演化、发展,为研究钢纤维混凝土损伤破坏问题提供了一种新的手段。
参考文献：
[1]. 混凝土试样损伤的细观数值演化分析[D]. 赵娟. 大连理工大学. 2006
[2]. 高强高性能混凝土细观数值演化分析[D]. 曹文平. 西安建筑科技大学. 2012
[3]. 细观裂纹扩展致混凝土材料与结构失效的多尺度分析方法[D]. 王康. 东南大学. 2015
[4]. 混凝土损伤演化的CT研究及其在细观数值模拟中的应用[D]. 田威. 西安理工大学. 2009
[5]. 混凝土试件静动力破坏过程细观数值模拟[D]. 丰茂东. 大连理工大学. 2010
[6]. 含初始缺陷的焊接结构损伤演化致破坏的数值分析[D]. 李杰. 东南大学. 2016
[7]. 沥青混凝土路面细观结构和水破坏研究[D]. 李芬. 武汉理工大学. 2006
[8]. 钢筋混凝土试件破坏过程的细观数值模拟[D]. 张明. 大连理工大学. 2012
[9]. 硫酸盐侵蚀混凝土细观动态本构关系研究[D]. 郭洋. 哈尔滨工业大学. 2014
[10]. 基于细观尺度的钢纤维混凝土损伤破坏数值模拟研究[D]. 薛兵. 中国矿业大学. 2017