细观等效理论预测再生混凝土宏观力学参数北大核心CSCD

预测分析再生混凝土各组分对再生混凝土宏观力学参数的影响是开展再生混凝土基本力学性能的一种方式.为了分析再生混凝土各组分对再生混凝土宏观力学参数的影响,根据再生混凝土的细观结构组成,建立了细观等效模型,利用扭转变形、细观夹杂理论、弹性等效思想和M-T模型方法,推导了由原生骨料、老界面层、老水泥砂浆、新界面层和新水泥砂浆等组成的再生混凝土的宏观力学参数预测模型.预测结果表明,随着再生骨料的取代率增加,水泥砂浆的含量不断增加,再生混凝土孔隙率也随之增大,导致再生混凝土的Poisson比随之增大,弹性模量、剪切模量和体积模量不断降低.模型的预测结果较好地反映了再生混凝土宏观力学参数随再生骨料取代率的增加不断变化的这一趋势,也为再生混凝土宏观力学参数的预测提供了一条简单实用的新方法,有利于再生混凝土基本力学性能的研究分析.     

考虑混凝土材料非均质特性的近场动力学模型

混凝土内部微细观结构影响其损伤和破坏行为.鉴于传统连续介质力学在模拟混凝土损伤累积和渐进破坏过程中存在的问题,基于数值图像技术获得混凝土试件的内部骨料形态,采用键型近场动力学理论,建立了能够考虑混凝土非均质特性的近场动力学模型,并在ABAQUS平台下开发了相应的计算模块,进行了混凝土试样的拉伸和压缩细观破坏分析.结果表明:近场动力学模型和数值方法能够成功模拟混凝土材料的复杂破坏过程,得到的破坏现象与试验结果吻合程度较好,进一步探究了混凝土材料的破坏机制,完善了混凝土结构的破坏分析过程.     

Prediction of Concrete Meso-Model Stress-Strain Curves Based on GoogLeNet北大核心CSCD

非均质复合材料的宏观力学性能往往取决于细观组分的分布方式和力学性能，但是建立明确的关系表达式极其困难。为了应对这一挑战，以混凝土为研究对象，提出了一种基于深度学习的策略，能够高效、准确地通过细观模型图像信息获取应力-应变曲线。首先，使用基于卷积神经网络（convolutional neural network，CNN）的GoogLeNet模型进行图像信息识别和提取，并针对应力-应变曲线的复杂性特点，进行了数据预处理操作，并且设计了相应的多任务损失函数。数据集中的细观模型图像采用基于Monte-Carlo的随机骨料模型生成，并且使用数值模拟试验获取对应细观模型的单轴压缩应力-应变曲线。最后，通过对神经网络的训练和测试评估了所提出方法的可行性。结果表明，GoogLeNet模型训练效率和预测精度均优于AlexNet和ResNet模型，具有良好的泛化能力和鲁棒性。     

界面弧形裂纹对混凝土开裂强度的影响研究

混凝土由于水分蒸发、干缩、泌水以及骨料与砂浆变形不一致等原因会导致骨料与砂浆的界面层中产生弧形裂纹,从而对混凝土开裂强度产生很大影响.从细观角度将混凝土视作由粗骨料和水泥砂浆组成的两相复合材料,并将界面层视为粗骨料与水泥砂浆的接触层进行分析.首先基于相互作用直推估计(interaction direct derivative, IDD)法,考虑混凝土中骨料颗粒的相互作用,将施加在混凝土表征体积元的远场外荷载等效为无限大基体中含单一骨料的等效外荷载.然后,将等效外荷载转化为最大和最小主应力,基于断裂力学理论得到界面层中弧形裂纹的应力强度因子,并根据复合型裂纹幂准则判断弧形裂纹是否发生开裂,进而来研究混凝土开裂强度的变化规律.通过与数值模拟结果的比较,验证了界面弧形裂纹应力强度因子解析解的有效性,参数分析结果表明,当裂纹与最大主应力垂直或与最小主应力呈45°夹角时,骨料周围弧形裂纹最易发生开裂破坏.随着裂纹长度增加,混凝土受拉和受压开裂强度先减小后增大,且均存在最不利的裂纹长度.混凝土开裂强度随着骨料体积分数的增加而增大,随着骨料粒径的增大而减小.在裂纹长度较小时,增大骨料的弹性模量有利于提高混凝土开裂强度.骨料周围承受同号应力可以提高混凝土的开裂强度,反之,异号应力会降低开裂强度.     

三轴压缩下岩石/混凝土的三维细观损伤模型

考虑三轴压应力作用下的无限大体深埋椭圆形裂纹的变形场,给出了闭合椭圆形微裂纹的能量释放率.采用能量平衡方法分析了闭合椭圆形微裂纹的扩展条件,得到了代表性体积单元中具有任意空间取向的单个闭合椭圆形微裂纹及其扩展引起的附加柔度张量.分析了闭合椭圆形微裂纹的偏折扩展,得到了微裂纹偏折扩展引起的附加柔度张量.采用Taylor方法考虑微裂纹系统对代表性体积单元变形的影响,引入概率密度函数,得到了三轴压缩下岩石/混凝土的三维细观损伤模型.分析了混凝土的单轴压缩特性,结果表明该模型能够很好地描述实验现象.     

FRP加固再生混凝土圆柱力学性能试验研究

通过混凝土圆柱轴心受压试验,研究了0%、50%、100%3种粗骨料取代率对再生混凝土圆柱抗压强度的影响以及碳纤维(CFRP)布或玄武岩(BFRP)布加固后圆柱的力学性能。试验结果表明:再生骨料取代率对再生混凝土圆柱的力学性能有一定影响,取代率为100%时,圆柱的抗压强度和极限应变均有所增加;而取代率为50%的再生混凝土的横向变形系数略低于天然骨料混凝土的横向变形系数。纤维增强型复合材料(FRP)加固再生混凝土能有效提高结构的承载能力和改善其变形性能,增加构件的延性;其中CFRP加固比BFRP加固效果更为显著。FRP加固再生混凝土与加固天然混凝土类似,其应力-应变曲线表现为明显的双线性,与所选模型计算结果符合良好。     

颗粒增强复合材料的几何模型数值模拟方法研究

为了在细观层次上模拟混凝土和土石混合体等颗粒增强复合材料,假设颗粒为凸多面体.首先研究由随机八面体随机变形得到任意凸多面体及其参数方程的方法,然后研究凸多面体内部与外部的判定条件、点到多面体的距离和两多面体之间距离的计算方法,从而得到了一个生成具有大量多面体随机分布区域的方法.为了提高模拟区域中多面体的含量,还给出了下降算法.实验表明:可以按二级配生成多面体含量达35%（体积比）的模拟区域,为从细观层次研究混凝土、土石混合体等颗粒增强复合材料,提供了创建几何模型的方法.     

基于有限元法的混凝土输水管内硫酸根离子扩散分析

暴露于硫酸盐环境中的混凝土输水管易遭受硫酸盐化学侵蚀,导致其耐久性退化、提前失效;而环境中硫酸根离子传输进入混凝土是其化学侵蚀的前提.为获得混凝土内硫酸根离子的扩散进程,首先基于Fick定律及质量守恒定律,建立饱和混凝土管内硫酸根离子的扩散-反应模型.其次,将扩散-反应模型的边界条件齐次化,建立其有限元控制方程.然后,开展硫酸钠溶液中水泥砂浆圆柱试件的腐蚀试验,测定试件不同深度处的硫酸根离子浓度,与模型计算结果对比,以验证模型.最后,开展数值模拟研究,分析混凝土输水管外表面、内外表面暴露于浓度恒定或振荡的硫酸盐溶液情况下管内硫酸根离子浓度的时空分布.     

反映混凝土单边效应的弹塑性损伤本构模型及应用

为了尽可能有效和准确地描述混凝土材料的非线性力学特性,在研究国内外混凝土损伤本构模型的基础上,基于连续介质损伤力学和不可逆热力学的理论框架,采用统一强度理论作为屈服破坏准则,分别定义拉、压双标量损伤来考虑材料的拉、压迥异特性,同时引入反向加载影响因子以修正拉压交替循环加载时材料的单边效应,以及多轴应力状态下拉、压损伤累积的相互影响,最终采用显式积分算法建立了一种改进的混凝土弹塑性损伤本构模型.不同素混凝土加载试验模拟结果初步验证了建议模型的有效性,而通过对含I型裂缝的混凝土简支梁试验进行数值分析,结果表明,所得的荷载 挠度曲线与试验结果吻合良好,进一步检验了模型应用于结构非线性分析的有效性.     

基于模拟退火算法的数字岩心建模方法

简要介绍了模拟退火算法,给出了用于建立数字岩心的三个重要参考函数:孔隙度、两点概率函数和线性路径函数.详细阐述了基于模拟退火算法建立数字岩心的理论方法,介绍了算法中重要参数的设置方法,包括初始温度、降温条件、降温方案及运行终止条件.通过实例运算验证了上述理论的适用性,研究表明:模拟退火算法可以有效降低系统能量,在局部范围内能明显体现孔隙空间特征;由于受到输入建模资料所含信息量的限制,所生成的数字岩心孔隙分布较凌乱,整体连通性差,因而期待新的建模参考函数的开发.     

Multiscale simulations of concrete mechanical tests

In civil engineering, computational modeling is widely used in the design process at the structural level. In contrast to that, an automated support for the selection or design of construction materials is currently not available. Specification of material properties and model parameters has a strong influence on the results. Therefore, an uncoupled two-step approach is employed to provide relatively quick and reliable simulations of concrete (mortar) tests. First, the Mori–Tanaka method is utilized to include the majority of small aggregates and air voids. The strain incremental form of MT approach serves for the prediction of material properties subsequently used in the finite element simulations of mechanical tests.     

On the simulation of textile reinforced concrete using a multi scale approach

Textile reinforced concrete (TRC) is a composite of textile structures made of multi-filament yarns (rovings) within a cementitious matrix. Experimental investigations of textile reinforced concrete specimen show very complex failure mechanisms on different length scales. Therefore mechanical models on the micro, meso and macro scale are introduced. The paper presents a hierarchical material model of TRC on three scales. While on the micro scale the individual filaments of the fiber bundles are distinguished to determine an effective roving behavior, models on the meso scale are used to predict the macroscopic response of the composite material. (© 2008 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

考虑气体加速效应的高压气井产能方程推导及其应用

高压气体径向渗流中气体加速效应非常显著,因此传统二项式或三项式产能方程中的非Darcy项不能反映带有气体加速效应的非Darcy渗流特征.气体加速效应影响的忽略导致无阻流量计算的误差增大,不利于合理产能和开发方案的确定.采用考虑了气体加速效应的高压气体运动方程,通过质量守恒方程、真实气体状态方程和气体运动方程,推出考虑加速效应的高压气井产能新方程,此方程同样可反映传统的二项式产能方程,提高了无阻流量的预测精度.由于此方程没有解析解,采用类比法进行简化,再利用试凑法,求解此产能方程的相关系数.为了验证准确性,将该方程应用到了四川盆地高压气藏西35⁃1井的试井资料中,其解释结果与陈春燕和罗银富等所得结果进行对比分析,结果表明该方法所获得的产能精度明显提高,并且能够消除随着压差增大而产能相对误差增大的弊端,更加有利于高压气井无阻流量的精确计算.研究结果丰富了高压气井产能预测方法,同时无阻流量的准确计算保障了高压气井合理产能的确定.     

任意形状孔口单边裂纹问题的边界配位解法

本文提出了一组复应力函数,采用边界配位方法对不同形状孔口(包括圆、椭圆、矩形及菱形孔口)的单边裂纹平板的应力强度因子进行了计算.计算结果表明,对长度和宽度远大于孔口和裂纹几何尺寸的试件,配位法与用其他方法所得的无限大板含圆或椭圆孔边裂纹问题的解符合得很好.同时,对其他孔口问题,特别是有限大板情形,本文给出了一系列计算结果.本文所提出的函数及计算过程可以应用于任意形状孔口单边裂纹平板的计算.     

混凝土重力坝多参数弹性位移反演分析不唯一性理论探讨

反演分析是现场监测⁃反演分析⁃工程实践检验⁃正演分析及预测的闭环系统的重要环节,而参数反分析是工程实践中研究最多的反分析问题.针对混凝土重力坝多参数反演分析是否具有唯一性,基于均质地基上重力坝在水压力作用下的位移解析解建立目标函数,进而以目标函数和非空凸集构建一个凸规划问题,然后通过分析目标函数的Hesse矩阵是否是正定矩阵,验证目标函数是否是严格凸函数,从而辨识构建的凸规划问题是否具有唯一全局极小点.对坝体和岩基弹性参数的不同组合方案分析表明,当采用理论值与实测值的差值的l1范数作为目标函数时,目标函数的Hesse矩阵均不能保证为正定矩阵,即混凝土重力坝多参数弹性位移反演分析凸规划问题不具有唯一全局极小点,反演分析不唯一.     

Rolling element bearing diagnosis based on probability box theory

Feature extraction leads to the loss of statistical information of raw data and ignores the sampling uncertainty and the fluctuations in the signal over time in mechanical fault diagnosis. In this paper, novel modeling methods for mechanical signals based on probability box theory were proposed to solve the above problem. First, the type of random distribution of the bearing signals were analyzed. Then, a Dempster-Shafer structure was obtained to establish a probability box model. To address the identification difficulty of the type of random distribution for the bearing signals, a second probability box model was established based on a vector consisting of features from the bearing signals. If the data are not found to follow a random distribution, a third modeling method based on the definition of probability boxes was proposed. The effectiveness and applicability of the three proposed models were compared with experimental data from rolling element bearings. The combination of probability box theory and mechanical fault diagnosis theory can open up a new research direction for mechanical fault diagnosis.     

Local meshless method for PDEs arising from models of wound healing

A meshless collocation procedure is proposed for one- and two-dimensional partial differential equations arising from modeling of wound healing processes (Sherratt and Murray, 1991). Main motivation of this choice is its straightforward application in higher dimensions for both regular and irregular domains on various nodal points distributions. In the case of numerical solution of convection-dominated wound healing PDE models, a stencil based upwind stabilization technique is coupled with the local meshless method to counter instabilities of the computed solution. To assess efficacy, efficiency and accuracy of the proposed method on regular and irregular domains, numerical approximations of different wound healing models are obtained and validated against the exact solution and medically tested healing time duration.     

面内功能梯度三角形板等几何面内振动分析

基于平面应变理论,利用等几何有限元方法分析了弹性边界条件下面内功能梯度三角形板的面内振动特性.板的材料属性沿厚度方向呈均匀分布,而在面内方向呈任意指数梯度变化.采用非均匀有理B样条(NURBS)基函数对三角形结构进行等几何建模和位移描述,实现了三角形板几何设计和振动分析的无缝衔接.在三角形板边界上引入虚拟弹簧约束并通过调节虚拟弹簧刚度,实现任意边界条件的施加.通过不同的单元细化方案和对比算例,验证了等几何方法的灵活性、准确性和快速收敛性.系统研究了边界条件、材料属性和几何参数对三角形板振动特性的影响.同时给出了弹性边界条件下面内功能梯度三角形板的振动特性解,具有重要参考价值.