基于渐变网格剖分方法的混凝土细观数值模拟

在细观层次上,把混凝土看作是由水泥砂浆、骨料及二者之间的界面组成的复合材料,通过渐变网格剖分的方法先后对随机投放的骨料、界面和水泥砂浆进行网格剖分,删除多余节点,重新排列节点顺序,建成三维随机骨料分布的细观有限元数值模型．用细观有限元模型分别进行混凝土的单轴拉伸和不同围压下的假三轴数值试验,分析不同加载形式对混凝土试件破坏形式以及承载能力的影响．     

混凝土单轴荷载下细观损伤破坏的数值模拟

假设混凝土是由砂浆基质、骨料及它们之间的界面组成的三相复合材料,混凝土的细观力学性质服从Weibull分布,应用细观力学损伤模型研究了混凝土的宏观力学性质,并且通过编制有限元程序对混凝土试件在单向拉伸和压缩情况下的破坏过程进行了数值试验．模拟结果表明,该模型可以用来研究单轴荷载作用下混凝土结构的破坏机理和多种尺寸试样尺寸效应律．     

混凝土损伤断裂的三维细观数值模拟

提出一种在细观层次建立混凝土三维随机骨料随机力学参数模型的方法.将损伤力学与计算力学相结合,基于ANSYS软件平台进行二次开发,建立2组混凝土立方体湿筛试件的数值模犁:第1组模型模拟3种不同的骨料随机分布;第2组模型模拟混凝土各相材料主要力学参数的随机性,分别假定其参数符合对数正态分布和Weibull分布.通过对这2组模型的轴压进行模拟,揭示混凝土在轴向压力作用下单元的渐进损伤和裂缝的萌生与扩展过程.研究结果表明:数值模拟得到的混凝土立方体抗压强度与试验测得的抗压强度较接近;骨料的随机分布会影响试件裂缝产生的位置和扩展路径,但其对试件承载力的影响不大;混凝土各组成相材料参数的非均匀性降低了试件的极限承载力,采用Weibull分布能较好地表征材料参数非均匀性的影响.     

混凝土细观破裂过程的三维数值模拟及CT验证

应用 "被占领区域剔除"的思想,对原有的混凝土骨料三维随机分布的数值模型进行改进,提出了一种新的混凝土骨料三维随机分布数值模型建立的方法,并基于弹性损伤本构关系,采用双折线损伤演化模型描述混凝土细观各相弹性损伤退化,用弹性模量的折减程度来反映混凝土试件在加载过程中的损伤程度.对混凝土圆柱体试件进行了数值模拟计算,并依据混凝土破坏过程图比较了数值模拟的破坏过程与CT试验结果,发现试件破坏时裂纹的萌生、扩展过程与CT观测到的过程具有相似性,表明该模型较好地模拟了混凝土的不均匀性与各向异性,证明建立该模型的方法是可行的.     

混凝土细观数值试验的随机损伤本构模型

混凝土在细观尺度下是由粗骨料、砂浆和界面过渡区(ITZ)组成的三相复合材料。目前考虑细观尺度上这三相之间力学性能的不同,已经进行了大量的细观数值试验研究。然而混凝土为典型的多尺度材料,在细观尺度下混凝土各相自身也是非均质的。鉴于此,提出了细观尺度下代表性体积单元(RVE)的随机损伤本构模型,并编制了相应的有限元程序。利用编制的程序,进行了随机骨料模型单轴拉伸和压缩数值试验;并进行了双骨料试件单轴拉伸数值试验。结果表明,该模型虽然结构简单,但能较好地反映混凝土的主要宏观力学行为和细观损伤的产生和演化发展。最后,通过参数敏感性分析,阐明了不同模型参数对混凝土宏观力学特性的影响。该模型可为混凝土细观数值试验研究提供支撑。     

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．     

混凝土细观破坏过程的近场动力学模拟

近场动力学(Peridynamic,PD)是一种基于非局部作用思想的理论,解决不连续问题时具有独特优势.首先概述了常规态型PD基本理论(Ordinary State-Based PD,OSB PD),采用了一种新的圆形骨料投放方法,有效地提高了混凝土骨料的投放率,建立了适用于混凝土细观破坏的常规态型PD计算模型.对混凝土结构的细观破坏过程进行了模拟,数值模拟结果与理论解吻合较好,进而分析了混凝土结构细观破坏机理.     

混凝土受压性能的非均质细观数值模拟

将混凝土看作是由骨料、砂浆及它们之间的界面组成的三相复合材料,在细观层次上建立了非均质混凝土棱柱体试件的随机骨料模型,分别赋予细观单元弹脆性损伤本构关系或弹塑性本构关系,研究了采用不同本构关系的混凝土棱柱体试件在单轴压缩荷载作用下的细观损伤演化过程,获得了相应的混凝土单轴受压宏观应力-应变曲线,并将计算结果与试验结果做了比较.结果表明:混凝土试件的破坏是由于细观损伤的积累导致的;非均质模型计算所得的宏观应力-应变曲线上升段与试验结果吻合相对较好,弹塑性本构模型计算所得的曲线下降段比弹脆性模型更接近于试验曲线.     

基于渐变网格剖分方法的再生混凝土细观数值试验

细观上,把混凝土看成是由骨料、砂浆以及它们之间的界面等组成的多相复合材料,对于光滑的球形骨料,预先进行镶边处理,并在此基础上首先对封闭域形成表面单元,然后采用拓扑映射的渐变网格剖分方法往里拓扑成四面体单元网格,按同样方法依次生成界面单元网格和砂浆单元网格,删除表面单元和多余节点后形成混凝土试件的三维细观有限元网格模型。采用该细观有限元模型进行再生混凝土的单轴压缩数值破坏试验,结果表明,该网格模型在单机环境下很快的就能完成数值试验,与以往的自由网格剖分法和映射网格剖分法生成的细观有限元模型相比不仅在计算规模上大大缩小了,而且模拟的破坏形态与实际非常吻合,精度也很高。     

细观层面的混凝土碳化过程数值模拟

为在细观层面上研究混凝土碳化问题,首先建立了基于积累分布函数的三维球形骨料生成方法,分析了随机性对模拟结果的影响,对骨料最大粒径、最小粒径和体积分数的选取原则进行了讨论.建立了简化的混凝土碳化数值模型,分析了骨料对宏观层面混凝土碳化行为的影响.结果表明,骨料的稀释效应和扭曲效应将降低混凝土的碳化深度;骨料在水泥浆中的非均匀分布将导致宏观上混凝土碳化深度的非均匀性.     

大体积混凝土随机骨料数值模拟

在细观力学基础上将混凝土考虑为粗骨料、砂浆及它们之间的黏结层组成的三相复合材料．针对大坝等大体积全级配或三级配混凝土,骨料含量比较高(60％-70％)的特点,提出了一种新的高效投放算法,通过一次性随机投放形成同种骨料的所有三角形基骨料,然后在此基础上随机延凸,生成任意形状的随机骨料．与通常的圆形骨料只有2个随机数相比,该生成算法中每个骨料一般需要7个以上随机数,同时该方法的生成效率和骨料含量明显高于其他多边形骨料的生成算法．采用大型通用有限元软件MARC对东江拱坝三级配混凝土试件的单向轴拉破坏过程进行了全过程数值模拟,数值模拟计算结果与试验结果接近．     

混凝土破裂过程细观损伤与渗流耦合模拟

假定混凝土是由骨料、砂浆、界面和随机微缺陷组成的四相复合材料,并据此假定建立了混凝土四相复合材料的细观力学模型,导出了混凝土弹塑性损伤-渗流耦合本构方程,同时数值模拟了试样破裂过程,基于细观尺度研究了混凝土弹塑性损伤-渗流耦合问题.结果表明:混凝土渗透系数的变化与混凝土试样弹塑性损伤破裂全过程密切相关;破坏的细观单元成为渗流的主要通道.     

基于非局部模型的混凝土损伤的数值模拟

分析了局部损伤模型在进行混凝土应变软化模拟时存在的问题:网络依赖性和零能量损耗问题;在传统的非局部损伤模型中引入光滑的权函数,构造一种新的非局部损伤模型。计算表明该非局部损伤模型可较好避免有限元在应变软化模拟时的网络依赖性,预测出的荷载-位移反应与实际情况吻合较好。     

混凝土拉伸断裂的细观力学模拟

应用细观力学理论,假设混凝土三相组成服从weibull分布,建立了混凝土随机分布二维结构模型,对混凝土单边裂纹拉伸数值试样进行仿真研究,得出了裂纹在砂浆、骨料及界面中的扩展路径和试件的宏观应力一应变曲线．     

混凝土骨料有限元模型自动生成方法

针对圆形、椭圆形、多边形三种剖面形状的骨料夹杂分别给出了混凝土的二维有限元建模方法,为细观结构研究提供了全自动的建模工具．提出了一种新的以面积为标度的任意两椭圆骨料侵入的判别准则,有效地克服了椭圆形骨料几何模型生成中的效率瓶颈问题;提出了综合考虑边数、形状、尺寸等随机特性的多边形骨料生成方法,并简单有效地保证了多边形骨料为凸的性质,使所建的随机几何模型能够更好地模拟人工骨料和再生骨料;对生成的几何模型,运用改进的推进波前法一次性生成所有骨料的有限元网格,为进一步的复合材料细观结构和宏观力学性能的多尺度计算打下了基础．最后用几个算例验证了算法的有效性。     

基于隐式梯度模型的混凝土损伤的数值模拟

分析了局部损伤模型在进行混凝土应变软化模拟时存在的问题:网络依赖性和零能量损耗问题;分别应用隐式梯度模型和局部模型对混凝土应变软化进行了模拟。计算表明该隐式梯度模型可较好避免有限元在应变软化模拟时的网络依赖性,预测出的荷载-位移响应与实际情况吻合较好。     

含缺陷混凝土细观损伤破坏过程的数值模拟

将混凝土看成由骨料、砂浆、界面和缺陷等组成的四相复合材料,通过圆形孔隙和币状裂隙表征缺陷,采用应力-裂缝宽度模型反映骨料、砂浆和界面的非线性本构关系,得到了轴拉荷载作用下试件破坏过程的应力-应变全曲线和弯拉荷载作用下的荷载-位移全曲线,并对圆形孔隙和币状裂隙及其含量对混凝土破坏过程和极限荷载的影响进行了分析.结果表明:...     

随机凹凸型骨料在混凝土细观数值模型中配置算法研究

混凝土细观结构随机骨料数值模型的建立及其损伤破坏力学分析,可为混凝土宏观强度分析研究提供依据.适于满足各类指定的骨料级配曲线,针对任意形状、大小的骨料颗粒的生成与投放过程提出了一种改进算法,突破了传统凸形骨料的投放限制,使细观数值模型更接近于混凝土试件断面的实际.具体实现过程中,基于计算机图形学多边形重叠判断及区域填充算法,来消除预投放骨料间的交叠现象.此外,利用粒径极值比来控制骨料形状.还提出骨料颗粒投放过程的用户微干预方法,比较传统完全随机法,提高了投放的成功率及效率.算例验证了骨料的实际投放效果.