细观断裂力学——微观机制与宏观力学的交汇

细观断裂力学在材料组元(晶粒、纤维)尺度上研究小裂纹与微观组织交互作用、小裂纹应力应变场及其微观组织敏感的扩展规律。本文侧重剖析了细观断裂力学所采用的宏观力学与微观机制相结合的方法及途径,介绍了有关微观变形测量技术,并强调了其对发展这一边缘学科的重要作用。     

随机骨料投放的分层摆放法及有限元坐标的生成

为了提高混凝土细观力学预处理过程中骨料投放效率,提出了一种随机骨料的投放方法。基于混凝土随机骨料生长方式,提出了骨料投放的分层摆放法。采用状态矩阵法的判别准则,判别空间中任意一点与骨料凸多边形/凸多面体的位置关系,实现了二维平面/三维空间有限元网格坐标的生成。结果表明,与现有方法相比,该方法可节省CPU时间,具有极高效率。这为实现大规模数值细观混凝土预处理,提供了有力的工具。     

微观缩松对蠕铁微观组织和力学性能的影响

微观缩松缺陷的位置分布、体积大小表现出随机性特点,会对材料微观组织和宏观力学性能产生影响. 通过微观组织观测,研究了微观缩松对蠕墨铸铁材料微观组织的影响. 同时,建立了含微观缩松缺陷的三维代表性体积元模型,通过施加周期性边界条件和拉伸位移载荷,研究了微观缩松对蠕墨铸铁材料宏观力学性能的影响. 结果表明,蠕铁材料微观缩松缺陷周围组织中含有Ce,Mg元素,表明稀土蠕化剂与所研究的蠕墨铸铁的微观缩松的形成有密切联系,增加了材料内部形成微观缩松的倾向. 随着材料内部微观缩松体积分数的增加,材料的宏观等效弹性模量呈线性降低;微观缩松还会造成材料内局部区域的应力集中,易于微小裂纹的萌生及扩展.      

三级配混凝土单轴破坏的细观数值模拟

将混凝土看成是由骨料、界面和砂浆组成的非均质复合材料,采用非线性有限元软件Marc对东江拱坝三级配混凝土试件单轴受拉、单轴受压破坏的全过程进行数值模拟．按照试件的实际配比计算出各种粒径骨料的数目,采用蒙特卡罗法对混凝土骨料进行随机投放,生成试件的随机骨料模型．研究中,单轴受拉时采用最大拉应力准则,并考虑了材料的软化;单轴受压时采用线性莫尔-库伦准则．结果表明,混凝土的力学性能与其内部的细观结构组成密切相关,材料的宏观破坏是细观结构破坏累积的结果,无论是受拉时的开裂还是受压时的屈服,几乎都首先发生在界面上．     

混凝土单轴压缩破坏过程的三维细观数值模拟

从细观力学的角度出发,将混凝土视为由骨料、砂浆及二者之间的界面所组成的三相复合材料,利用蒙特卡罗方法,产生骨料在试件中的随机位置,建立了混凝土圆柱体试件三维数值模型。进行单元划分,对试件中骨料、砂浆和界面单元的材料号进行自动识别及赋值。通过三个计算方案研究了混凝土单轴压缩下的力学性能及破坏过程,模拟了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。结果表明,该数值模型及计算方法能够较好地反映混凝土在单轴荷载作用下的力学特性。     

基于CT图像的混凝土损伤演化分形特性研究

以单轴压缩条件下混凝土细观结构CT图像为研究对象,运用分形几何中的差分盒维数法计算出不同扫描断面不同应力阶段的CT图像分形维数,分析了加载过程中分形维数的变化特征,提出了相应的损伤变量,并建立了混凝土材料的损伤演化方程,描述了损伤变量与应变的关系。结果表明该方程可以体现出混凝土试件经历压密、扩容、微裂纹扩展、破坏四个阶段。     

堆积体直剪试验颗粒流细观数值模拟研究

作为一种非均匀、非均质、多相体系的松散岩土介质,堆积体力学性质的研究颇受国内外众多学者关注和重视。以室内重塑样直剪试验结果为依据,可确定基于现场试验颗粒粒度累积曲线和三维颗粒离散元方法建立的堆积体直剪试验模型土石颗粒细观力学参数。在此基础上进行不同岩性、不同含石量的堆积体直剪试验模拟研究,结果表明:堆积体直剪试验剪切屈服面并非一个平面,而是存在一个带内变形以设计剪切平面为基准呈S形变化的剪切带,块石最大粒径越大剪切面影响范围越广,块石刚度越大剪切面则越粗糙;介质抗剪切强度特性在很大程度上受控于岩块的含量和岩性,块石和块石间的咬合力是造成介质内摩擦角较高的根源;在高围压下介质特性表现为应变硬化、低剪胀率,但不排除表现为剪缩的可能,而在低围压下则容易发生剪胀、软化现象,这与重塑样试验结果基本一致;颗粒摩擦系数与含石量呈二次抛物线递增关系,但剪切过程中应变能随摩擦能增加先升后降;黏聚力随基质颗粒刚度增加而提高,而随充填介质颗粒刚度增加而降低;数值试验与室内试验吻合程度较好表明,该方法可作为工程堆积体确定力学参数的有益补充。     

基于matlab-混凝土二维细观结构数值模拟骨料随机投放

为了研究混凝土细观力学现象,对混凝土力学行为进行数值模拟,采用二维细观结构数值模拟骨料随机投放,为进行混凝土有限元细观力学分析提供了数值结构模型.采用matlab软件建立了混凝土骨料随机投放模型,其中考虑混凝土为由骨料、砂浆及二者之间的黏结界面组成的三相复合材料,在投放过程中,以骨料面积比例为基本参数、黏结界面厚度取骨...     

骨料形状对混凝土拉伸强度的影响

运用Monte-Carlo方法模拟产生了由骨料、水泥砂浆基体和两者之间的胶结带组成的三相复合材料混凝土试件,采用各向同性的Mazars损伤演化模型描述混凝土细观各相弹性损伤退化过程,利用有限元方法分别进行了混凝土二、三、四级配圆形、多边形骨料试件的单轴拉伸数值模拟.试验结果表明:同一级配任意多边形骨料试件的极限承载力总体上要大于圆形骨料试件的承载能力;二、三、四级配混凝土试件强度依次递减;在应力-应变曲线的软化阶段,圆形骨料较多边形骨料试件软化曲线平缓;多边形骨料混凝土试件的脆性指数较圆形骨料混凝土试件的脆性指数高.     

基于细观力学的土体渗透稳定分析方法研究

讨论了颗粒分析方法的发展现状和力学理论基础,尝试了一种用传统渗流理论确定工程体渗透稳定的薄弱部位,用颗粒分析方法研究其渗透稳定性的新方法.以某水库大坝反滤层的渗透稳定性研究为例,采用商业软件Geostudio2007的Seep模块确定大坝反滤层的最不利部位及其渗透坡降,用反滤层的级配包络曲线和压实密度生成细观分析模型,用宏观模型计算结果作为细观分析的边界条件,最后采用基于离散单元理论的颗粒方法软件PFC研究大坝反滤层的渗透稳定性及其允许渗透坡降.计算结果表明,随着细观模型压力水头的增加,颗粒将产生移动,细观模型内部结构逐渐改变.当压力水头达到阀值时,细观模型中的渗透破坏通道完全形成.揭示了反滤层的安全与否取决于其级配组成、密度和所承受的水头.