基于两相随机介质的混凝土破坏全过程模拟

通过两相随机介质对混凝土细观结构进行建模,给出了混凝土破坏全过程模拟。首先,为了反映混凝土水泥砂浆和骨料的随机分布,引入新近发展的两相介质随机场对混凝土进行建模。采用随机点集生成随机有限元与内聚单元,以考虑裂纹分布的随机性,形成混凝土材料破坏分析的数值模型。数值模拟给出了混凝土单轴受拉裂纹开展全过程。数值模拟结果表明:当骨料断裂能明显大于水泥砂浆断裂能时,采用两相随机介质,能够较好地描述在受拉状态下,混凝土裂纹主要产生于水泥砂浆及骨料以及水泥砂浆的界面处,较少骨料破坏,这一典型特征。最后,通过模拟所得的均匀化应力-应变关系与混凝土单轴受拉试验结果对比,进一步验证了该文所给出的两相随机介质模拟的正确性。     

塑钢纤维轻骨料混凝土细观破坏过程的数值模拟

为从细观结构上研究塑钢纤维轻骨料混凝土的破坏机理,通过ANSYS有限元分析软件进行二次开发建立了塑钢纤维轻骨料混凝土模型,采用"生死单元"技术描述了各相材料的裂纹开展形态,模拟了塑钢纤维轻骨料混凝土抗压和劈裂抗拉试验。对轻骨料混凝土与塑钢纤维轻骨料混凝土的裂纹演变过程进行了比较,结果表明:在抗压试验中轻骨料混凝土裂纹最先出现在轻骨料中,随着荷载的增大,裂纹扩展到界面和砂浆中,并与相邻轻骨料的裂缝贯通;而对于塑钢纤维轻骨料混凝土,由于塑钢纤维的掺入,改变了轻骨料混凝土裂纹的扩展路径,提高了轻骨料混凝土的延展性,起到抑制裂纹扩展的作用。在劈裂抗拉试验中,对于塑钢纤维轻骨料混凝土,大部分塑钢纤维被拉断,只有一小部分被拔出。这与宏观试验结果基本一致。     

基于细观损伤模型的混凝土湿度及干缩特性研究

将混凝土视为骨料与砂浆两相非均质复合材料,同时考虑材料损伤的影响。混凝土视为非均质体能较好的体现骨料和砂浆材料特性差异对湿度扩散及干缩应力的影响,内部出现的损伤也与混凝土视为均质体时明显不同。采用考虑材料特性差异及损伤作用的细观模型和计算方法,能更真实的反映混凝土的湿度、干缩变形和干缩应力分布规律。细观研究结果有助于更好地理解混凝土干缩裂缝的产生机理、开裂模式及发展规律。     

用扩展有限元方法模拟混凝土的复合型开裂过程

用扩展有限元法对混凝土梁复合型开裂过程进行了数值模拟。裂纹面间的力学行为采用粘聚裂纹模型来描述,通过引入切向保留刚度考虑剪力分量的影响。开裂方向的计算采用了一种简化的最大切向应力准则。对Arrea和Ingraffea的混凝土梁复合开裂实验进行了数值模拟。计算给出了裂纹萌生、扩展的过程及破坏形态,并获得了与实验结果对比良好的荷载-裂纹开口滑移曲线。结果表明,扩展有限元法通过附加特定的位移模式,使裂纹两侧不连位移场的表达独立于网格划分,是一种能够模拟准脆性材料复合开裂问题的有效方法。     

基于数字图像的混凝土破坏过程的数值模拟

把混凝土看作是由水泥砂浆为基相,粗细骨料为分散相的复合材料。在细观尺度上,应用数字图像处理技术表征混凝土材料中由骨料的形状、大小和分布对混凝土材料造成的非均匀性,在组成相材料内部细微观尺度上,采用统计方法来描述材料的非均匀性,建立了细-微观尺度耦合分析的混凝土损伤数值模型,模拟了混凝土单轴载荷作用下的破坏过程。数值模拟结果能反映出骨料分布和组成相材料的非均匀性对混凝土力学行为的影响,较好的模拟了混凝土试样从裂纹萌生扩展到宏观裂纹形成的整个破坏过程。     

基于对混凝土破损过程的模拟研究

从细观力学层次出发,把混凝土看作是由骨料、砂浆基质及两者之间的界面过渡区组成的三相复合材料,通过引入细观损伤变量及损伤变量的演化规律模拟了混凝土的破坏过程。首先生成骨料位置随机分布且颗粒级配符合Fuller曲线的数值试件,然后对每一相材料分别赋以服从Weibull分布的随机力学参数(弹模、强度和泊松比等)并规定相应的破坏准则,将通过上述途径获得的混凝土数值试件导入有限元软件Abaqus进行数值模拟。与实验结果的对比显示,提出的随机损伤数值模型能够较好地模拟混凝土板式试件在单拉、单压下的应力-应变关系曲线以及混凝土中裂纹的萌生、开裂过程。     

粗细骨料比例和水泥石强度对混凝土断裂参数的影响

骨料对于混凝土断裂性能的影响是近年来各国学者普遍关心的课题。采用基于粘性裂纹模型(FCM)的数值分析方法,通过三点弯曲试验,评价了粗细骨料比例(砂率:0.30-0.67)及水泥石强度(混凝土抗压强度:40-80MPa)对混凝土断裂参数的影响。这些参数包括抗拉强度、抗弯强度、应力-裂纹宽度关系和断裂能。研究结果表明,骨料总量一定而粗骨料含量不同时,抗压强度几乎不受影响,而随粗骨料含量增加,抗拉强度、抗弯强度和断裂能均逐渐增大。同时,水泥石强度增高,开裂强度、抗拉强度、抗弯强度和断裂能均增大。     

含单边缺口混凝土梁冲击破坏的近场动力学模拟

改进了近场动力学（peridynamics,PD）微观弹脆性（prototype microelastic brittle,PMB）模型中微观模量的计算方法,解决了PMB模型的“边界效应”问题。利用改进的PMB模型计算了冲击荷载作用下单边缺口混凝土梁的破坏全过程,得到了混合型裂纹扩展的角度、路径以及裂尖最大速度,并与试验和其他数值方法模拟结果进行了对比分析,验证了改进的PMB模型的有效性。研究结果表明,近场动力学方法在模拟破坏问题时不存在网格依赖性,其本构模型自然包含了损伤与断裂的描述,是求解结构冲击破坏问题的一种有效方法。     

基于CT图像的再生混凝土细观破坏裂纹分形特征

为深入研究再生混凝土的破坏形态和内部裂纹扩展情况与普通混凝土之间的差异,以不同再生粗骨料(RCA)取代率的再生混凝土为研究对象,利用Phoenix v | tome | x s240微焦点工业CT获取再生混凝土加载到90%预估破坏荷载的二维扫描图像,借助Photoshop CS6图像处理软件,对材料内部破坏裂纹进行提取,进而基于分形几何理论,以分形维数及多重分形谱表征裂纹的分形扩展规律,建立分形维数和多重分形谱特征参数与RCA取代率和再生混凝土抗压强度的关系。结果表明:再生混凝土的细观受力破坏模式与普通混凝土不同,其受力破坏形态不仅取决于粗骨料与水泥浆体的界面黏结强度,还取决于RCA自身性能,当裂纹发展至天然粗骨料或强度较高的RCA时会绕过骨料表面继续发展,发展至强度较低的RCA时会贯穿骨料;分形维数可定量描述混凝土材料内部细观裂纹的整体扩展情况,即裂纹越丰富,分形维数越大;多重分形谱可反映从局部到整体不同层次的细观裂纹特征,裂纹分形维数和多重分形谱特征参数均与RCA取代率呈线性下降关系,与抗压强度呈线性增长关系;本研究可为再生混凝土在大型结构工程中的广泛应用奠定理论和实验基础。      

考虑温度影响的混凝土微观断裂模型

该文以各组分体积不变为准则建立了考虑温度影响的混凝土三相微观断裂球体模型。将混凝土组成简化为骨料,水及水泥浆体,并以模型中各层模拟;认为高温下混凝土的断裂为模型中间层水汽蒸发逸出的结果。通过气体状态方程分析了模型内部气压随温度的变化,并研究了骨料和水泥浆体层的应力状态。分析了含圆盘形裂纹的混凝土的可释放弹性能和表面能,并根据Griffith断裂准则给出了混凝土断裂韧性随温度的变化规律。对该文模型进行数值模拟,并与相关试验结果对比,结果证明了该文模型能够有效地计算高温下和高温后混凝土的断裂韧性。同时分析发现:随着温度的升高,混凝土可释放弹性能增大而开裂时的裂纹初始长度将减小。     

基于近场动力学方法的混凝土板侵彻问题研究

由于近场动力学(Peridynamics)用统一空间积分-时间微分方程描述物体连续或不连续区域,改进常用微观弹脆性模型对势本构力函数,给出刚性体与变形体冲击问题接触算法;编制计算程序,验证经典简支梁变形及Kalthoff-Winkler试验;数值模拟刚性弹丸侵彻混凝土矩形板破坏过程,揭示损伤累积及裂纹扩展全过程与最终破坏形态。结果表明,改进的近场动力学模型及算法合理、可靠,能有效模拟混凝土结构冲击破坏及侵彻问题。     

陶瓷基复合材料基体随机开裂的损伤模拟

首先介绍了描述复合材料出现损伤时细观应力场的剪滞模型;给出了模拟陶瓷基复合材料基体随机开裂的有关公式;然后采用Monte Carlo方法模拟了基体随机开裂的过程;最后通过计算机模拟了陶瓷基复合材料基体裂纹的随机演化过程,分析了有关模型参数对基体裂纹演化的影响,并与文献模拟结果进行了对比。研究表明：最终裂纹间距主要分布在 1～2倍滑移长度之间;初始开裂应力越大,最终名义裂纹间距越小;Weibull 模量越大,最终名义裂纹间距越小;热残余应力越大,最终名义裂纹间距越大;模拟长度对裂纹演化影响很小;MonteCarlo方法可以有效地模拟陶瓷基复合材料的随机开裂过程。     

三级配混凝土静、动载下力学细观破坏机制研究

假定三级配混凝土是由砂浆基质、不同粒径的骨料及其粘结带组成的非均质复合材料,采用非线性有限元方法在细观尺度上数值模拟三级配混凝土弯拉梁在静、动载下的开裂过程。按实际配比计算各种骨料的代表粒径的数目,采用蒙特卡罗方法随机生成骨料分布,骨料形状假定为圆形,最小粒径为12.5mm。骨料、砂浆及其粘结带均采用了非线性本构模型,具体模拟了材料的开裂、拉伸软化、塑性屈服和压碎等非线性。研究中还给出了梁关键部位的应力应变全过程曲线,研究成果还与未考虑材料的非均质性的结果进行了比较。结果表明,混凝土类的多项非均质复合材料的静、动力学性能与其内部的细观结构组成有密切关系,混凝土中最薄弱的部位为粘结界面,混凝土的破坏明显表现出拉应变软化现象和局部化现象。数值模拟结果与有关试验成果较为接近。     

除冰盐环境下水泥混凝土路面传力杆的锈蚀机理与传荷失效过程分析

传力杆锈蚀所引起的混凝土保护层开裂是影响水泥混凝土路面结构使用寿命的重要因素。该文基于扩展有限元方法,建立了传力杆锈蚀产物-混凝土保护层耦合作用开裂力学分析模型。使用此模型模拟了混凝土保护层锈胀开裂过程中的弥散分布裂纹起裂及扩展演化行为,研究了除冰盐环境下传力杆因锈蚀引起传荷失效的过程。设计传力杆试件的除冰盐环境室外暴露试验对数值模拟结果进行验证,发现两者在锈胀开裂模式方面符合较好。根据已验证的模型分析发现:传力杆的松动是促使其快速脱钝,并发生严重锈蚀的初始条件,松动量对传力杆表面锈蚀产物的物相组成比例无明显影响;锈蚀产物体积膨胀造成混凝土保护层出现龟裂,降低了混凝土为传力杆提供支承的能力,是传力杆因锈蚀导致传荷失效的主要原因。     

基于刚体─弹簧模型的混凝土微裂纹行为模拟

本文在细观上将混凝土看成是由粗骨料颗粒与硬化水泥浆体组成的两相非均质复合材料,以随机颗粒模型代表混凝土的细观结构,研究了一种对随机颗粒模型结构进行全自动网格剖分的方法,采用适宜处理微裂纹行为的刚体一弹簧模型（RigidBodySpringModel）,探讨了预先存在的微裂纹对混凝土性能的影响,建立起混凝土的细观结构与宏观性能之间的关系,同时也对混凝土在拉伸荷载下的裂纹传播行为进行了研究。     

静电驱动裂纹微悬臂梁结构振动特性分析

基于Euler-Bernoulli理论,提出了非线性静电力和压膜阻尼效应下裂纹微悬臂梁的动力学模型与分析方法,研究了耦合作用下裂纹微悬臂梁结构的振动特性。模型中裂纹采用转动弹簧模拟,该模型引起位移一阶导数不连续,不连续度与二阶导数成比例。结果表明,裂纹位置、裂纹开裂程度、非线性静电力以及非线性压膜阻尼效应对裂纹微悬臂梁结构的振动特性都有着较大影响。研究结果可用于微器件的设计、性能改进及健康检测。     

基于XFEM的强震区砼重力坝开裂与配筋抗震措施研究

已有震害表明,混凝土坝遭遇强烈地震将不可避免地产生开裂。扩展有限元法（XFEM）通过在相关节点的影响域上富集非连续位移模式,使得对非连续位移场的表征独立于单元边界,可以有效描述混凝土中的裂纹扩展。基于扩展有限元模型,采用合理的地震波动模型对国内某混凝土重力坝强震下的动力破坏过程进行了分析;针对大坝破坏情况,应用嵌入式滑移模型模拟了混凝土重力坝配筋前后的地震响应和破坏状况,据此评价局部配筋的抗震效果。研究表明,局部配置抗震钢筋虽无法防止裂缝的发生,但可有效限制坝体裂缝的开裂扩展范围及深度,减少裂缝的开度,有效改善坝体的抗震性能。     

基于刚体─弹簧模型的混凝土微裂纹行为模拟

本文在细观上将混凝土看成是由粗骨料颗粒与硬化水泥浆体组成的两相非均质复合材料，以随机颗粒模型代表混凝土的细观结构，研究了一种对随机颗粒模型结构进行全自动网格剖分的方法，采用适宜处理微裂纹行为的刚体一弹簧模型（RigidBodySpringModel），探讨了预先存在的微裂纹对混凝土性能的影响，建立起混凝土的细观结构与宏观性能之间的关系，同时也对混凝土在拉伸荷载下的裂纹传播行为进行了研究。     

基于内聚力模型的热障涂层失效行为研究

热障涂层以其优异的隔热、耐磨和耐蚀性而被广泛应用于航空涡轮发动机中,其能够提高发动机的热效率和延长涡轮叶片的使用寿命。热障涂层的失效往往是裂纹扩展导致,其主要失效形式为表面开裂和界面分层失效。针对热障涂层的裂纹扩展行为,最重要也最直接的研究方法就是对热障涂层的整个损伤失效过程进行数值模拟,以便深入了解涂层失效过程及失效机理。内聚力模型能够比较精确地描述界面开裂问题,在一定程度上可减轻甚至消除裂纹尖端的应力奇异性,可以模拟任意裂纹扩展,故而在裂纹扩展研究中得到了广泛应用。采用内聚力模型模拟热障涂层表面开裂和界面分层失效的过程中,通常把内聚力单元预埋在可能出现裂纹的实体单元之间,当材料发生破坏时,裂纹就会沿着内聚力单元排布的方向形成和扩展。然而造成热障涂层损伤失效的因素较多,失效机理复杂,以及内聚力模型本身的缺陷性,使得利用内聚力模型模拟热障涂层失效过程的研究还不够全面。目前已经通过内聚力模型实现了热障涂层的损伤失效过程模拟,包括表面开裂过程和界面分层失效过程。当前研究大多忽略了涂层内部的微细观缺陷而将热障涂层视为均质材料进行研究,并且内聚力模型本身还存在一些问题,如参数的确定等。随着热障涂层的发展以及对内聚力模型认识的不断加深,内聚力模型模拟热障涂层损伤失效过程也在不断发展与完善。在表面开裂模拟方面,通过在陶瓷涂层内垂直嵌入内聚力单元来模拟陶瓷层内表面裂纹的扩展行为。陶瓷涂层内裂纹扩展行为的模拟大多采用扩展有限元法,内聚力模型的应用相对较少,而内聚力模型可有效解决界面开裂问题,特别是粘结层/陶瓷界面开裂问题,故而被广泛应用于热障涂层界面失效问题的研究中。本文对内聚力模型进行了简要介绍,总结了内聚力模型在模拟热障涂层损伤失效过程方面的研究进展,指出了当前研究中存在的问题并对其下一步的发展进行了展望。     

水工混凝土弥散型裂缝数值模型中开裂判据的研究

重大水利工程中,混凝土结构多处于高水压环境,坝体或多或少存在着裂缝,然而大部分开裂的混凝土坝仍能够安全运行,从而引申出是否可以允许混凝土结构出现裂缝,多大的裂缝才不至于引起破坏,以及用怎样一个合理的指标来对混凝土开裂程度进行描述评判的问题。该文以等效塑性应变表征混凝土弥散型裂缝模型数值模拟中的开裂破坏,通过混凝土单轴拉伸数值模拟,并根据试验资料及相关文献,建立了等效塑性应变与主拉应变、裂缝宽度之间的关系,得到对应于“有害裂缝”的等效塑性应变值。将方法和成果运用到混凝土重力坝的开裂研究中,具有较好的实际工程意义。