混凝土高温动态劈拉行为细观数值分析

为研究高温作用下混凝土的动态劈裂拉伸破坏行为，考虑了力学性能的高温退化与应变率增强效应的联合作用，结合混凝土材料内部非均质性，建立了细观尺度数值分析模型与方法。将该数值方法分为两个步骤:首先对混凝土进行热传导行为模拟，进而将输出结果作为初始条件对混凝土动态劈裂拉伸行为进行细观模拟。在模拟结果与已有试验现象良好吻合的基础上，分析了高温下混凝土动态劈裂拉伸行为及其细观破坏机制，对比了不同应变率及加热温度下混凝土的劈裂拉伸应力-应变关系，揭示了混凝土应变率效应与温度退化效应的相互影响规律。研究结果表明:(1) 高温作用后，试件损伤区域较常温下更集中；(2) 名义应变率较大时，破坏过程急促，常温下骨料发生破坏，而经历高温后骨料基本没有破坏；(3) 由于混凝土试件细观结构的非均质性，其内部应力呈枣核状不连续分布；(4) 相比于应变率效应，混凝土劈裂拉伸强度受温度退化作用的影响更显著。     

EXPERIMENTAL RESEARCH OF THE WHOLE TENSILE CURVE FOR BITUMINOUS MORTAR

细观尺度上, 沥青混合料是由沥青胶浆、粗骨料和孔隙等构成的多相复合材料, 而沥青胶浆的力学参数为沥青混合料进行细观尺度研究的重要部分, 对抗拉强度有着决定性的影响. 本文通过设计制作加载夹具针对不同温度和不同加载速率的条件, 对9 组试件进行拉伸试验, 得到沥青胶浆拉伸全曲线. 通过对沥青胶浆拉伸全曲线的研究和计算, 确定了沥青胶浆的最大破坏应力σ_max、刚度K_nn 和破坏位移U, 这些参数为采用粘聚带本构模型模拟沥青混合料的开裂行为提供了力学参数.     

沥青混合料三点弯曲断裂的扩展有限元模拟

利用随机骨料生成和投放算法建立沥青混合料两相异质模型,借助ABAQUS软件开展了分别在跨中、偏中20mm和40mm不同位置包含预切口的沥青混合料三点弯曲试件断裂行为的扩展有限元模拟,分析了预切口位置对裂纹扩展路径、载荷位移曲线等的影响规律,并与实验结果进行了比较。结果表明,预切口偏离跨中越远,裂纹扩展方向偏离预切口延长线的角度越大,试件的峰值载荷越大,对试件承载能力的削弱越弱。实验和数值模拟结果在定性上的一致性表明,利用扩展有限元方法模拟沥青混合料断裂行为是可行的。     

一种孔隙介质力学模型及在水泥基材料的应用

基于细观力学和断裂力学的基本理论提出一个新的分析模型, 对孔隙介质的力学性能进行了分析. 依据孔隙介质内部孔隙的几何描述和状态参数,如孔隙率、形状、尺度及分布等,通过等效夹杂理论获得孔隙介质的等效本构方程,其最终变量为应力、应变和孔隙的形态参数. 根据断裂理论中材料承受载荷作用下破坏增长过程中的能量守恒,对孔隙介质变形过程中机械能、弹性应变能和载荷提供的势能进行分析, 根据能量守恒定律建立能量守恒方程,其最终变量也为应力、应变和孔隙的形态参数. 根据等效本构方程和能量守恒方程,获得孔隙介质承受载荷作用下的应力应变关系. 最后将该力学模型应用于水泥基材料,计算水泥基材料的力学性能并与文献中的结果进行对比分析,结果显示模型的计算结果准确有效.      

基于声发射矩张量分析混凝土破坏的裂纹运动

从细观上看,混凝土是一种由骨料、水泥浆基体、裂纹等组成的非均匀复合材料.单轴准静态加载条件下,应力应变曲线表现出明显的准脆性特征.其变形破坏过程实质上是内部微裂纹产生、扩展和汇合的过程,研究细观尺度的裂纹扩展演化将有助于深入了解混凝土的变形和破坏过程.声发射作为一种物理检测方法可以获取材料内部细观损伤演化的物理信息.本文基于声发射技术,结合改进的时差定位算法和矩张量理论对声发射信号进行分析,反演了混凝土巴西劈裂破坏中裂纹位置、裂纹类型以及裂纹面运动方向,揭示了混凝土宏观拉伸破坏的细观裂纹扩展机制.结果表明:裂纹运动过程清晰地显示了混凝土内裂纹源首先在试件与载荷接触面附近产生,之后聚集形成局部损伤区域,并沿轴线向中心扩展(加载平面)以及裂纹从试件中间向表面扩展的动态过程(厚度方向);裂纹运动体积可以作为裂纹形成、扩展过程中弹性能释放的度量,初始裂纹成核时体积参数较小,峰值载荷时,裂纹运动体积最大达到5.93×10-4 mm3;混凝土宏观尺度的拉伸破坏在细观尺度上存在有拉伸裂纹、混合裂纹以及剪切裂纹;拉伸裂纹最多,占裂纹总数约为60%,剪切裂纹最少,约占裂纹总数的10%;拉伸裂纹运动主导了试件的宏观劈裂破坏.     

基于声发射矩张量分析混凝土破坏的裂纹运动

从细观上看, 混凝土是一种由骨料、水泥浆基体、裂纹等组成的非均匀复合材料. 单轴准静态加载条件下, 应力应变曲线表现出明显的准脆性特征. 其变形破坏过程实质上是内部微裂纹产生、扩展和汇合的过程, 研究细观尺度的裂纹扩展演化将有助于深入了解混凝土的变形和破坏过程. 声发射作为一种物理检测方法可以获取材料内部细观损伤演化的物理信息. 本文基于声发射技术, 结合改进的时差定位算法和矩张量理论对声发射信号进行分析, 反演了混凝土巴西劈裂破坏中裂纹位置、裂纹类型以及裂纹面运动方向, 揭示了混凝土宏观拉伸破坏的细观裂纹扩展机制. 结果表明: 裂纹运动过程清晰地显示了混凝土内裂纹源首先在试件与载荷接触面附近产生, 之后聚集形成局部损伤区域, 并沿轴线向中心扩展(加载平面)以及裂纹从试件中间向表面扩展的动态过程(厚度方向); 裂纹运动体积可以作为裂纹形成、扩展过程中弹性能释放的度量, 初始裂纹成核时体积参数较小, 峰值载荷时, 裂纹运动体积最大达到$5.93\times10^{-4}$ mm$^{3}$; 混凝土宏观尺度的拉伸破坏在细观尺度上存在有拉伸裂纹、混合裂纹以及剪切裂纹; 拉伸裂纹最多, 占裂纹总数约为60%, 剪切裂纹最少, 约占裂纹总数的10%; 拉伸裂纹运动主导了试件的宏观劈裂破坏.      

水泥土细观破裂过程的实时观测试验

利用中科院武汉岩土力学研究所的岩石破裂过程细观力学实验系统,对不同水泥掺量的水泥土试件进行了单轴压缩细观实验,该试验系统可通过显微镜和数码视频装置实时观测水泥土试件的细观结构及其破坏的全过程,试验得到了水泥土破裂过程中的细观图像及其相应应力应变关系曲线.分析了不同水泥掺量的水泥土试件的细观破坏特征及其与宏观力学行为的关系,研究为水泥土细观损伤本构模型的建立提供了实验依据.     

花岗岩动态力学性能的实验研究

介绍了利用Φ74mm SHPB试验装置进行花岗岩的动态压缩试验和动态劈裂拉伸试验的结果。通过试验获得了花岗岩在100s-1～102s-1应变率加载时的动态力学参数。同时,对试件内的动态应力分布进行了数值模拟,验证了动态试验的有效性。试验结果表明,花岗岩的动态压缩和动态劈裂拉伸的力学性能表现出显著的应变率效应。随着应变率的增加,其冲击压缩破坏应力、冲击压缩破坏应变、弹性模量、冲击压缩应变能密度和动态劈裂拉伸破坏强度均有一定程度的增加。     

混凝土三维细观模型的建模方法与力学特性分析

根据混凝土材料的细观组成和结构特点，基于三维Voronoi图形提出了一种简单高效的混凝土细观模型生成方法，利用塑性损伤模型对该细观模型进行了单、多轴应力状态下的准静态分析以及SHPB动态有限元分析。结果表明，数值模拟得到的应力应变曲线和破坏模式与实验结果基本吻合，本文中提出的混凝土三维细观模型可较好地模拟混凝土的静、动态力学特性，为进一步从细观力学角度研究混凝土损伤演化规律和破坏机理提供了模型基础。     

基于CT图像的细观混凝土模型中低应变率冲击下端部摩擦效应研究

基于微观X射线计算断层扫描(XCT)图像,采用单元替换像素的方法建立真实普通强度混凝土试件的细观有限元模型。该模型包含骨料、砂浆、界面过渡区和孔洞,并采用ABAQUS中的混凝土损伤塑性本构模型CDP来模拟各相材料。对20个基于XCT图像的细观模型进行了中低应变率(10~(-5) s~(-1)～2 s~(-1))冲击作用下的端部摩擦效应的蒙特卡洛模拟;并对模拟结果进行统计分析和曲线拟合,获得了动态抗压强度和端摩擦系数及应变率之间的定量关系式,以及无摩擦时抗压强度提高因子CDIF与应变率之间的关系式。结果表明,端摩擦能够提高混凝土的抗压强度,但当摩擦系数达到0.3后其影响不再明显;CDIF与应变率的对数■呈二次抛物线关系;拟合的关系式与实验结果吻合良好。     

岩土力学虚拟实验仿真系统开发及其应用

数值试验是认识岩土材料细观与宏观力学行为的一种重要手段,是常规岩土力学实验的补充和延伸.本文以pfc颗粒流为平台,利用matlab和fish语言混合编程编写了岩土力学虚拟实验仿真系统,系统根据获取的岩土材料天然结构构造图像信息,可以生成含不同天然结构构造信息的岩土体试件.可以对不同规格试件实现伺服加卸载,可以监测任意点的应力应变信息,可以捕捉试件加卸载过程中的边界输入能量和摩擦能、动能及应变能的转换信息,捕捉试件的最终破坏形态和破坏过程中裂纹扩展信息及不同类型裂纹的数量演化信息.利用其可以研究岩土材料天然结构构造特征对其宏观、细观力学行为的影响.     

剪切载荷下加筋板失稳模态的全场数字光学测试

通过全场光学测试和应变测试的方法,研究了剪切载荷下平板、加筋板、含切口加筋板的屈曲模态及极限承载能力。实验采用对角拉伸方式施加剪切载荷,运用全场光学形貌扫描方法对试件的变形形貌和屈曲模态进行实时扫描。实验结果表明:采用光学方法得到的加筋板试件的临界屈曲载荷值(12.44 k N)与应变测量结果(12.65 k N)吻合较好,此方法可用于临界屈曲载荷的测试;平板试件破坏时的屈曲模态沿加载方向对称分布,完整加筋板与中心切口加筋板屈曲模态均呈反对称分布,而侧切口加筋板试件的屈曲模态没有对称性;加强筋的强化和切口的局部损伤会引起屈曲模态的偏移;加筋板试件在发生破坏前的位移-载荷曲线均相近;中心切口会极大地削弱加筋板的极限承载能力。     

混凝土中心裂缝单轴拉伸损伤断裂数值模拟研究

基于对混凝土细观力学的认识,假定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,各组分的材料性质按照某个给定的Weibull分布来赋值,细观单元满足弹性损伤的本构关系,应用细观力学损伤模型研究了混凝土的宏观力学性质,并且通过有限元程序对中心裂缝混凝土试件在单向拉伸情况下的破坏过程进行了数值模拟.模拟结果表明,该模型可以用来研究单向载荷作用下混凝土结构的破坏机理.     

采用J积分对沥青混合料抗裂性能进行评价

沥青混合料是一种由集料、胶浆和孔隙组成的非均质材料,一般被认为是一种粘弹性材料,其力学行为介于弹性和塑性之间,采用弹塑性断裂力学更适合评价沥青混合料的抗裂性能.J积分理论可以避开分析裂纹尖端附近复杂的应力应变场,物理意义明确,可以有效的评价沥青混合料的抗裂性能,断裂韧度JC可以很方便的采用预切缝的半圆弯拉试验直接获得.为了评价材料本身特性对断裂韧度JC影响,在MTS试验系统上进行了3种级配的沥青混合料的断裂韧度试验.采用基于数字图像处理技术的有限元方法对半圆弯拉试验进行了模拟,并将数值模拟的结果与试验的结果进行了对比分析.结论表明,断裂韧度JC可以作为一有效的评价沥青混合料抗裂性能的指标.     

三维五向编织复合材料渐进损伤分析及强度预测

基于材料连续体细观结构单胞,提出了材料的三维渐进损伤分析模型,采用非线性有限元方法并结合均匀化平均思想,首次建立了三维五向编织复合材料的强度预测模型。经研究典型编织角材料在拉伸载荷作用下细观损伤的发生及演化过程,分析了材料的细观失效机理,获得了材料的宏观拉伸应力应变曲线和极限破坏强度,并详细探讨了主要工艺参数编织角对材料宏观力学性能的影响规律。     

基于神经网络和平直节理接触模型的细观参数标定方法

近年来,颗粒流程序离散元分析方法在岩石工程领域广泛应用,它从细观角度最大限度地还原了岩石等材料力学行为的本源,但颗粒流模型的细观参数与岩石材料的宏观参数并不相同,其标定过程复杂、耗时。为此,基于平直节理接触模型,以单轴压缩、直接拉伸和双轴压缩等数值模拟试验测试岩石材料宏观力学参数;对模型细观参数进行正交设计,并通过多因素方差分析研究宏细观参数之间的关系;采用BP (back propagation)神经网络建模对细观参数进行标定并校核标定结果,校核结果表明细观参数标定精度普遍高于90%,且总体误差较小,证明了标定方法的可行性。结合花岗岩在室内常规试验下的应力-应变曲线和破坏特征,验证了神经网络的反演方法在标定岩石材料细观力学参数工作中的有效性。     

激光辐照与拉伸预应力作用下复合材料试件的破坏研究

对复合材料T300/FAG80试件在室温及激光辐照下的力学性能进行了测试,得到材料的纵横向有效弹性模量以及拉压破坏强度,并分析激光参数对于材料力学性能的影响.试验采用波长为1064nm的Nd:YAG连续输出激光器,在不同拉伸预应力下,以不同功率密度激光辐照复合材料,并使用高速摄像机进行同步观测,对烧蚀破坏机理进行了分析并预测激光强度对于材料性能影响的趋势走向.使用有限元软件对激光辐照复合材料试件破坏时间进行数值建模,将计算结果与试验结果相对比,数据基本吻合.     

基于CT图像的细观混凝土模型中低应变率冲击下端部摩擦效应研究

基于微观X射线计算断层扫描（XCT）图像，采用单元替换像素的方法建立真实普通强度混凝土试件的细观有限元模型。该模型包含骨料、砂浆、界面过渡区和孔洞，并采用ABAQUS中的混凝土损伤塑性本构模型CDP来模拟各相材料。对20个基于XCT图像的细观模型进行了中低应变率（10^-5 s^-1~2 s^-1）冲击作用下的端部摩擦效应的蒙特卡洛模拟；并对模拟结果进行统计分析和曲线拟合，获得了动态抗压强度和端摩擦系数及应变率之间的定量关系式，以及无摩擦时抗压强度提高因子CDIF与应变率之间的关系式。结果表明，端摩擦能够提高混凝土的抗压强度，但当摩擦系数达到0.3后其影响不再明显；CDIF与应变率的对数（logε）呈二次抛物线关系；拟合的关系式与实验结果吻合良好。     

双相钢板料的单向拉伸断裂失效研究(Ⅱ)——弧长法非线性有限元分析

为了获得docol800DP双相钢板料的等效塑性应变和应力三轴度在单向拉伸断裂失效过程中的变化历程,对其拉伸过程进行了弧长法非线性有限元分析。根据试验得到的材料参数建立了双相钢单向拉伸试件的有限元模型,考虑大变形引起的几何非线性和塑性强化引起的材料非线性,模拟了试件拉伸变形的全过程。计算结果表明:弧长法可较好地模拟试件变形的全程,计算得到的典型变形阶段、集中性失稳带的分布及方向与试验结果吻合很好;发生失稳变形时的应变与理论分析结果一致。最后,给出了起裂点处失效参数的变化历程,为定量化研究双相钢材料的断裂失效模型提供准确的数据支持。     

沥青混合料增量型热粘弹性本构关系研究

基于热粘弹性力学理论,就不同的温度条件下沥青混合料的应力松弛特征开展了试验研究,用广义Maxwell模型模拟沥青混合料的粘弹特性,应用热流变简单材料的时温等效原理对实验结果进行了分析和参数拟合,然后通过理论推导得到沥青混合料非定常和非均匀变温条件下增量型热粘弹性本构关系;在此基础上,给出利用此增量型应力应变本构关系进行沥青路面热粘弹性力学分析的数值实现方法,并给出一个计算实例。