刚性弹侵彻混凝土靶细观尺度模型的建立

与宏观尺度模型相比,混凝土细观尺度模型能够更加全面准确地描述混凝土的力学行为。编写了三维随机球形粗骨料的生成和投放程序,并采用一种基于背景网格的材料识别技术完成了水泥砂浆、粗骨料、界面过渡区三种网格的生成,建立了三维三相混凝土细观有限元模型。基于这一模型,运用连续有限元软件对刚性弹侵彻混凝土过程进行了仿真模拟。结果表明,与宏观模型相比混凝土细观模型能够更加真实地反映侵彻过程中混凝土的力学行为。     

基于改进随机骨料模型的混凝土细观断裂模拟

为了更好地研究混凝土的力学性能和破坏机理,该文在已有细观力学模型的基础上,发展了高效的骨料投放方法及单元筛分准则.基于连续介质力学的方法,采用弹性损伤本构关系描述混凝土细观各相材料力学行为,建立了随机骨料数值模型及相应的细观单元参数选取方法.以多组不同骨料分布的Petersson三点弯曲梁为例,分析和探讨了混凝土的破坏机理.结果表明,该数值模型能较好地模拟混凝土I型断裂拉伸破坏全过程,与试验结果表现出良好的一致性.     

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．     

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．     

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．     

三维凸型混凝土骨料随机投放算法

为了提供三维混凝土细观强度研究的数值模型,进行了三维混凝土随机骨料的投放算法研究。以体积为标度建立了一般多面体和凸型多面体两种形状骨料的侵入判别准则。并以凸多面体为研究对象建立了凸型骨料的生长模式和骨料"凸性"条件,给出相应的随机投放算法。该算法中,投放骨料初始形状为任意空间八面体,并始终在最长边上不断生长。在整个生长和投放过程中,骨料始终保持"凸"型。投放实例表明,与球形骨料假定建立的数值混凝土模型相比,凸多面体随机骨料模型能够更广泛地模拟混凝土材料结构。简单的算例说明了该模型可用于混凝土不均质性研究。     

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。     

基于细观尺度的混凝土绝热温升预测

从混凝土的热学性能和细观组成出发,建立混凝土绝热温升和水泥水化程度的关系,将绝热温升表示为水泥水化程度的函数;假定混凝土为随机骨料和水泥净浆组成的二相复合材料,取单元尺寸为100 mm×100 mm的混凝土试件,并将试件剖分为1 mm×1 mm的有限元网格,考虑单个骨料和多个随机骨料2种投放方式,从细观尺度数值模拟混凝土的绝热温升过程,研究混凝土细观结构的温度分布.结果表明,文中给出的模型可较准确地预测混凝土绝热温升;在绝热条件下,由于混凝土细观结构中骨料和砂浆的热学和力学性质差异,试件内部仍会产生温度梯度和温度应力.     

混凝土细观损伤破坏过程的数值模拟

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,应用渐变网格剖分方法对随机投放的骨料、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,生成三维随机骨料分布的细观有限元数值模型.利用该模型分别进行了混凝土的单轴拉伸、压缩、劈拉和梁弯曲等数值试验,分析了不同界面参数、不同砂浆损伤参数、不同加载形式对混凝土试件的变形特点、破坏形式以及承载能力的影响,探讨了混凝土宏观力学性能(如应变软化和剪胀等性质)的细观机制.     

简化的二维混凝土骨料随机生成法

混凝土的细观力学分析中,将混凝土考虑为由粗骨料、水泥砂浆以及界面三相所组成的复合材料。细观分析时粗骨料模型的建立是一个主要而且关键的步骤。在二维分析中,圆形骨料是应用最为广泛的简化模拟方法;而椭圆形骨料以及多边形骨料也分别被用来模拟卵石骨料以及碎石骨料。针对圆形、椭圆形以及多边形这三种剖面形状的骨料,确定了简化的骨料随机生成方法,生成了相应的几何模型,并得出了数值模拟结果。     

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.     

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。     

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.     

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。     

混凝土应变软化与局部化的数值模拟

在细观层次上将混凝土看作是一种由粗骨料、砂浆和它们间的粘结带组成的三相复合材料,根据蒙特卡罗随机抽样原理,在计算机上随机生成了碎石骨料的混凝土随机骨料结构,建立了正交各向异性损伤本构方程,提出了适合细观有限元分析的强度与韧性综合破坏准则以及优先开裂原理,利用中模型和方法,数值模拟了混凝土单轴受拉试件的细观破坏过程,逼真地阐明了名的应变软化与局部化现象,说明了混凝土细观有限元分析是一种研究混凝土基本特性的行之有效的数值分析方法。     

沥青混凝土断裂性能模拟研究

沥青混凝土开裂是沥青路面的主要病害之一。采用标准半圆形弯曲梁(SCB)试验及有限元模拟对沥青混凝土断裂机理进行研究。结合内聚力单元法与随机骨料建模技术对沥青混凝土断裂行为进行模拟仿真,通过生成随机骨料模型,探究骨料随机分布对沥青混凝土断裂行为的影响。结果表明:该模拟方法考虑了骨料对裂缝扩展的影响,能够有效地预测沥青混凝土的断裂行为,对沥青路面设计具有指导意义。     

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.     

用刚体弹簧元法研究全级配混凝土力学性能

提出了采用刚体弹簧元法在细观层次上对全级配混凝土的力学特性及破坏机理进行数值研究的方法.该方法首先根据全级配混凝土骨料级配曲线和Walraven函数,使用蒙特卡罗随机理论建立起考虑细观各相力学特性分布不均匀性的随机骨料结构,并对其进行三角形或任意多边形的网格剖分;然后应用刚体弹簧元模型,对全级配混凝土在单轴及双轴荷载下的变形和力学性能进行了系统性的数值试验,并探讨了不同骨料级配及试件尺寸对混凝土力学性能的影响.与实际试验结果的比较表明运用该方法数值模拟全级配混凝土的力学性能是可行的.