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。     

混凝土力学行为的降阶多尺度模拟研究

为了研究混凝土的降阶多尺度方法动态力学特性,模拟随机形状和大小的凸多面体骨料,并考虑了骨料的随机结构和位置,建立了混凝土三维细观仿真模型,通过单轴静态压缩仿真对模型进行了验证.根据细观尺度下混凝土的实际结构,对动态SHPB冲击载荷作用下的混凝土进行仿真模拟,得到了不同入射速度下的实验数据.结果表明,仿真结果与实验结果吻合较好,多尺度方法可以将细观尺度特征和宏观尺度动态力学行为联系在一起,验证了多尺度方法的有效性,在混凝土各相力学性能方面,降阶均匀化方法相比细观尺度模型提高了计算效率.     

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。     

黏聚单元嵌入技术及其在混凝土细观分析模型中的应用

采用针对随机颗粒的渐变网格剖分和黏聚单元嵌入的方案,建立骨料-砂浆-界面的三维高效细观有限元模型,并在单机上实现了混凝土标准试样的单轴拉伸和单轴压缩数值试验。结果表明:该嵌入方案能够捕捉到骨料-砂浆界面由弱连接到脱开的全过程,再现混凝土试样的破坏形态;通过对细观模拟结果获得的应力-应变关系曲线的对比分析,一定程度上揭示了混凝土宏观力学特性的内在机理,为探究混凝土类复合材料宏观力学特性的内在机制提供了技术保障。     

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。     

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。     

小尺寸弹体对金属骨料复合靶侵彻破坏效应初步分析

针对小尺寸弹丸对混凝土侵彻破坏,根据以砂浆为基体、金属颗粒为骨料的复合靶体细观结构特性,采用VC++程序,采用背景网格映射法,建立由随机金属颗粒、砂浆、粘结过渡层组成的复合材料三维细观数值模型. 在此基础上采用动力有限元程序开展了弹体侵彻复合靶细观数值模拟;用正交数值实验分析方法,对弹体着靶速度、骨料强度与骨料模量3个参数对侵彻破坏效应的影响进行了统计分析.     

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.     

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...     

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.     

混凝土材料的动态力学性能研究

为研究混凝土材料的动态力学性能,通过自行编制的粗集料颗粒在混凝土材料中随机分布的二维生成程序,将混凝土作为水泥砂浆和粗集料组成的两相复合材料建立二维有限元模型,对混凝土复合材料在静动态压缩载荷作用下的力学性能和破坏形态进行了模拟. 在与实验结果比较的基础上,验证了有限元模型的有效性,进而分析了粗集料粒径级配和粗集料体积分数对混凝土材料动态力学性能和破坏形态的影响,为混凝土材料的优化和设计提供依据.      

沥青混合料三维仿真设计及虚拟剪切试验研究

使用凸包算法和Bubble Pack算法生成clump块体模拟粗集料颗粒,并基于PFC 5.0 3D平台实现虚拟粗集料颗粒的装配、虚拟砂浆及空隙的生成,完成沥青混合料虚拟试样的构建.最终,基于伺服控制原理进行虚拟三轴剪切试验,并对比分析室内试验及虚拟试验数据.结果表明:基于PFC5.0 3D平台在沥青混合料虚拟试样中采用clump块体直接表征粗集料颗粒,精度可控,表面结构更加拟真;构建的沥青混合料三维离散元数值模型能够有效描述沥青混合料的力学行为.     

温度与荷载共同作用下钢筋混凝土桩的细观损伤

为探究港口码头不同环境因素对码头桩身材料特性的劣化影响而降低桩身承载能力,通过PFC3D（颗粒流分析程序Particle Flow Code 3D)建立三维颗粒流离散元钢筋混凝土桩模型开展研究。对温度-应力模型进行建立,选取热学参数,构建了温度热管模型,通过分级加热,得到了钢筋混凝土桩的横向拉伸应变、纵向压缩应变以及微裂缝生长数量随温度变化曲线;调整模型混凝土粗骨料占比与强度等级,研究其对对钢筋混凝土桩受热损伤的影响;通过施加温度场的模型进行水平加荷载后,得到的应力应变曲线;基于模型微裂隙数量的损伤变量,并构建了损伤变量-轴向应变曲线,进一步分析了温度-荷载共同作用的损伤规律。结果表明：混凝土轴向压缩应变和横向拉伸应变会随温度的增加而逐渐升高,细观微裂隙数量会随温度的升高而增长;粗骨料占比升高会使受热初始损伤增加;温度的升高,材料的宏观力学性能出现了不同程度的降低。     

蒙特卡罗法生成混凝土随机骨料模型的ANSYS实现

利用ANSYS的APDL参数化设计语言,结合蒙特卡罗方法生成了细观层次上三级配的二维和三维随机混凝土骨料模型,从而能在ANSYS中进行赋予材料属性、定义单元类型、划分有限单元网格、选择各种损伤模型,直至加载求解,避免了其他程序语言生成骨料模型之后,还必须编写接口程序的不足;从给出的模拟卵石、砾石的三级配二维圆形和三级配三维球形的算例及生成的混凝土随机骨料模型来看,该法能够充分体现混凝土骨料随机分布的特征。     

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。     

混凝土破坏过程的复合型界面损伤模型与数值模拟

在细观层次上将混凝土视为由骨料、水泥砂浆及其之间的界面过渡区组成的三相复合材料,以规则化有限元网格映射到混凝土随机骨料结构上,根据单元的位置确定单元的材料特性,把不在单一材料区域、包含界面过渡区的单元视为一种广义复合材料单元,建立复合型界面损伤模型。该模型将修正的Vogit-Reuss模型运用到复合材料单元,形成等效均质单元;复合材料单元的损伤通过其各组成材料的损伤体现,采用拉断的Mohr-Coulomb准则作为材料损伤的判据。应用复合型界面损伤模型,结合统计方法考虑材料细观非均匀性,模拟混凝土试件在单轴拉伸和单轴压缩载荷(端面为理想无摩擦情况)作用下的断裂过程。研究结果表明:该模型可以较好地反映混凝土材料的宏观力学行为,可以有效地模拟混凝土材料的断裂过程。     

粗骨料表面经强化处理后混凝土阻尼研究

将粗骨料表面进行强化处理来放大界面效应,从材料角度研究混凝土在小变形情况下粗骨料界面与混凝土阻尼之间的关系.研究时,为了消除粗骨料表面积大小对混凝土阻尼的影响,制备了总表面积为一定值的粗骨料,配制了长方体阻尼试件,采用悬挂自由振动法来测定粗骨料表面经强化处理前后的混凝土阻尼比变化.     

再生混凝土框架节点抗震性能研究

完成了3种不同再生粗骨料取代率再生混凝土框架边节点，在恒定竖向轴压荷载和水平低周反复荷载作用下的抗震性能试验研究．通过不同再生粗骨料取代率下的节点抗震性能对比分析，研究了再生混凝土节点在模拟地震作用下的破坏形态、滞回特性、延性等问题．研究表明，再生混凝土节点的破坏过程与普通混凝土相类似，虽然再生混凝土节点的抗震性能略低于普通混凝土，但再生混凝土节点的延性等抗震性能仍满足相应抗震设防要求，说明再生混凝土可用于有抗震设防要求的框架节点中．再生混凝土框架节点的水平抗剪承载力可直接采用现行混凝土结构设计规范中节点抗剪承载力计算公式计算．最后，提出了加强抗震构造要求的设计建议．     

变形钢筋与高强轻骨料混凝土的黏结-滑移性能

研究变形钢筋与轻骨料混凝土间的黏结-滑移性能,完成了9组中心拉拔试验,分析了轻骨料混凝土强度、锚固长度、粗骨料类型及钢筋的直径对黏结应力的影响.结合试验结果,采用厚壁模型,给出了轻骨料混凝土黏结强度的解析解,并建立了钢筋与轻骨料混凝土间的黏结应力-滑移曲线本构模型.结果表明:轻骨料混凝土的黏结-滑移性能主要受砂浆强度影响,使得该类混凝土与变形钢筋间的黏结应力优于普通混凝土;黏结强度随着轻骨料混凝土的强度提高而增加,随着黏结长度的降低而增加;本文提出的本构模型能够较为准确地预测试验曲线.