混凝土复合型裂纹扩展的非局部近场动力学建模分析

基于非局部近场动力学理论,构建了修正的能反映混凝土宏观拉压异性和断裂特征的近场动力学本构模型,开发了相应的离散、加载和时间积分算法,实现典型混凝土构件中复合型裂纹扩展过程模拟。在物质点对尺度上定义局部损伤并考虑物质点对的相对转动,通过求解时空微-积分方程实现裂纹的自然萌生与扩展,避免裂尖不连续带来的求解奇异性、网格依赖性和网格重构以及常规近场动力学本构模型的泊松比限制。通过含单边和双边初始裂纹四点剪切混凝土梁裂纹扩展破坏全过程模拟,得到破坏形态、破坏荷载以及完整的荷载-裂纹开口滑移曲线,并与试验和其他数值模拟结果对比,验证了模型的精确性和算法的稳定性。     

钢筋锈胀引发混凝土保护层开裂破坏的细观数值研究

钢筋锈蚀膨胀引起保护层混凝土开裂是影响钢筋混凝土结构耐久性和服役寿命的重要因素。考虑到混凝土细观结构组成对保护层破坏模式的影响,从细观角度出发,将混凝土看作由骨料、砂浆基质及两者间界面过渡区组成的三相复合材料,建立了描述钢筋锈胀力学行为的混凝土随机骨料模型。采用塑性损伤本构关系模型来表征砂浆基质和过渡区界面的力学行为,假定钢筋均匀锈蚀,对钢筋锈胀引起的混凝土保护层开裂破坏过程进行了细观数值研究。对比了宏观均匀模型与细观非均质模型下获得的保护层破坏模式,探讨了径厚比(c/d)、钢筋位置(中部和角区)及混凝土拉伸强度对保护层破坏模式及保护层胀裂时钢筋锈蚀水平的影响,得到了一些有益结论。     

基于细观混凝土模型的时间逆转损伤成像方法

提出了一种针对混凝土结构损伤检测的时间逆转损伤成像方法.以检测混凝土结构中与骨料尺寸相近的微小损伤为目的,引入细观混凝土随机骨料模型,该模型将混凝土结构视为由水泥浆基底、骨料及粘接层组成的三相复合材料,基于Monte Carlo随机样本原理并结合真实试件的骨料级配曲线建立.在数值模拟分析中,将生成含损伤的细观模型导入有限元分析软件进行超声波场模拟,同时采用自适应性强的时间逆转模型(time reversed model,TRM)进行损伤定位.TRM分为正向检测和逆时成像两个部分:正向检测过程得到包含损伤的一系列散射回波信号,从数值角度进行时间反演并作为逆时过程的输入信号;逆时成像过程选用等效弹性参数模型,几何尺寸与随机骨料模型相同,时反信号在相应几何位置同时加载形成时反波场,时反波场在损伤位置会发生干涉叠加从而导致能量峰值的出现,通过确定干涉峰值时刻,并获取该时刻对应原始波场以及小波变换能量场完成成像.与原始数据波场图相比,小波变换处理成像结果消除了杂波干扰,成像结果更加清晰.进一步对等效弹性参数的取值进行讨论,并且在骨料尺寸范围内调整损伤大小,结果显示成像结果匹配度高,对于非均质混凝土结构的损伤检测能很好满足损伤定位需求.由此证明,时间逆转成像方法对于具有复杂结构的混凝土材料的损伤检测具有较好的适用性.     

含圆孔拉伸板的近场动力学数值模拟

首先推导了非普通状态为基础的近场动力学基本方程,引入损伤理论,对非普通状态为基础的近场动力学基本方程进行离散化,编制了非普通状态为基础的近场动力学数值分析程序。利用非普通状态为基础的近场动力学理论对圆孔拉伸板的断裂和非断裂问题进行了数值模拟。数值结果表明近场动力学理论不仅能模拟非断裂问题,也能模拟断裂问题,而且该方法不需要借助任何外部断裂准则就能很好地模拟裂纹的扩展和连接过程,相对于其它的数值模拟方法具有很大的优势,它为材料断裂问题提供了一种新方法和新思路。     

混凝土拉伸断裂的细观数值分析

根据混凝土试件拉伸和三点弯曲的物理模型,用梁-颗粒模型BPM 2D(B eam-Particle M ode l)模拟了混凝土拉伸和三点弯曲试件微裂纹的萌生、扩展直至试件宏观破坏的全过程。在梁-颗粒模型中用三种类型梁单元形成混凝土细观数值模型,每种类型梁单元的力学性质均按韦伯(W e ibu ll)分布随机赋值以模拟混凝土细观结构的非均匀性。数值模拟结果给出了混凝土拉伸应力-应变曲线和三点弯曲载荷-位移曲线,以及混凝土试件破坏过程最大应力分布图和裂纹扩展图。数值模拟结果显示混凝土破坏过程实际上就是微裂纹萌生、扩展、贯通,直到宏观裂纹产生导致混凝土失稳断裂的过程。通过对数值模拟结果的分析,揭示出混凝土在拉伸条件下裂纹尖端的拉应力集中是裂纹扩展的动力,混凝土组成材料力学性质的非均匀性是造成裂纹扩展路径曲折的重要原因。     

基于势能显式基面力元法的再生混凝土细观裂缝研究

为研究再生混凝土内部微裂纹演变过程与再生骨料取代率、骨料分布及骨料形状的关系,建立再生骨料取代率为0%,30%,50%,70%及100%的二维圆形及任意凸多边形随机骨料模型,通过势能显式基面力元法模拟位移控制模式的单轴压缩试验。结果表明:基面力元法可以用于研究再生混凝土等非均质材料的细观断裂损伤;单轴受压时内部微裂纹首先出现在粘结带位置,随后绕骨料形成离散裂纹,最终在骨料密集区域形成1~2条斜向45°连续破坏裂缝;试件内部微裂纹沿圆形骨料切向方向发展为与骨料直径呈垂直状态的斜向连续破坏裂缝,沿凸型骨料外轮廓线向骨料尖端方向发展为与骨料外轮廓线呈平行状态的斜向连续破坏裂缝;随着骨料取代率的增加,再生混凝土抗压强度逐渐递减,最终趋于稳定,凸型骨料再生混凝土抗压强度略高于圆形骨料再生混凝土。     

钢筋混凝土结构破坏过程的近场动力学模拟

采用近场动力学(Peridynamics,PD)方法对钢筋混凝土结构破坏过程进行模拟,在"键"型近场动力学模型的基础上,考虑物质点对间的转动以突破泊松比的限制,采用能够描述混凝土材料的拉压异性和断裂特征的损伤模型,引入动态松弛、分级加载、平衡收敛准则和冲击接触等算法,建立了能准确描述钢筋混凝土结构破坏的近场动力学模型。模拟了钢筋混凝土梁在不同荷载作用下破坏的全过程,裂纹扩展路径以及最终破坏形式均与试验结果吻合,为解决工程结构破坏问题提供了一种有效的方法。     

基于一类非局部宏-微观损伤模型的混凝土典型试件力学行为模拟

混凝土是一类典型的准脆性材料, 其受力过程中的非线性分析与裂纹模拟依然是具有挑战性的问题. 经典的断裂力学与损伤力学分别从间断与连续的视角对裂纹拓扑进行了描述, 是早期人们研究固体破坏问题的有力工具. 21世纪以来, 相场理论和近场动力学在预测裂纹的萌生、扩展与非线性分析方面取得了重要的进展. 最近, 结合统一相场理论与近场动力学的基本思想, 发展了一类非局部宏-微观损伤模型. 该模型引入物质点偶的概念来刻画由于变形引起的微细观损伤, 对微细观损伤在作用域中进行加权平均得到定量描述物质不连续程度的拓扑损伤. 通过具有物理机制的能量退化函数, 将拓扑损伤嵌入到连续介质-损伤力学的框架中, 这使得该模型在进行非线性分析的同时可以自然地进行裂纹模拟, 而毋须预设初始裂纹与裂纹扩展路径. 本文考虑细观物理参数的空间变异性, 采用非局部宏-微观损伤模型进行混凝土试件受力全过程的精细化模拟. 通过一维建模标定模型细观参数, 并探讨了细观参数与混凝土材料细观物理-几何特性之间的内在关联, 在此基础上采用二维模型进行精细化分析. 进而, 考察了材料参数空间变异性对混凝土单轴受拉试件和带缺口三点弯曲试件力学行为的重要影响. 本文的研究工作为非局部宏-微观损伤模型细观参数的试验标定与复杂应力状态下混凝土等准脆性材料的非线性力学行为研究提供了有意义的参考.      

含初始裂纹巴西圆盘劈裂问题的非局部近 场动力学建模

巴西圆盘劈裂是弹性力学及岩石力学与工程中的经典问题。在非局部键型近场动力 学理论的基础上,引入物质点对的转动自由度构建双参数微观弹脆性近场动力学本构力模型 以突破常规模型的应用范围限制,并考虑岩石混凝土类材料的宏观拉压异性和断裂特征。引 入动态松弛、粒子系统力边界条件和系统平衡弛豫等算法,实现了含不同倾角中心裂纹巴西 圆盘受压劈裂破坏全过程的近场动力学数值模拟,裂纹扩展路径及破坏形式均与试验结果高 度吻合,为裂纹扩展和断裂破坏问题的数值模拟提供了新的选择。     

混凝土受拉性能多尺度均匀化数值模拟研究

为研究混凝土的细观结构对其受拉性能的影响,本文首先采用蒙特卡罗方法生成了多组混凝土随机骨料模型;然后划分有限元网格并映射到所建立的混凝土随机骨料数值模型上,采用复合材料均匀化方法建立了混凝土多尺度均匀化数值模型。考虑骨料随机分布和骨料形状,通过数值分析得到了在单轴拉伸情况下混凝土损伤分布特性及宏观应力-应变关系,在考虑随机性与非均质性的同时得到了较为理想的结果。运用多尺度均匀化的建模方法不仅能反应混凝土细观结构的影响,而且等效化模型的模拟计算时间大大减少,节约计算资源,提高了计算效率,具有优越性。     

Heterogeneous Fracture Simulation of Three-point Bending Plain-concrete Beam with Double Notches

Plain concrete is regarded as a two-phase material comprising randomly distributed aggregates and mortar matrix. A series of three-point bending concrete beams with symmetric or asymmetric double notches are modeled using the modified random aggregate generation and packing algorithm. The cohesive zone model is used as the fracture criterion and the cohesive elements are inserted into both the mortar matrix and the aggregate-mortar interfaces as potential micro-cracking zones. The dead and alive crack phenomena are studied experimentally and numerically; and the influences of notch location, aggregate distribution and gradation on fracture are numerically evaluated. Some important conclusions are given.     

Fracture energy for three-point-bend tests on single-edge-notched beams

Three test series of single-edge-notched beams in three-point bending are conducted to evaluate the fracture energy of concrete. The fracture energy is determined from the area under the complete load: load-point deflection diagram. The nonlinear fictitious crack model is implemented in a finite-element analysis showing good agreement with the experimental data. By varying the notch depth and the beam depth it is shown that the fracture energy, traditionally presented as a material property, depends upon the specimen size and configuration. This is atributed to the energy dissipation in the process zone which is not accounted for in the analytical model.     

动载作用下复合型裂纹扩展的近场动力学模拟

构建改进的非局部近场动力学模型和粒子系统动力加载算法,开展复合型裂纹动力扩展过程模拟。在常规近场动力学微极模型中引入能反映非局部长程力尺寸效应的核函数修正项,以提高计算精度和收敛稳定性。通过模拟动载作用下含复合型裂纹混凝土三点弯梁的裂纹扩展与破坏过程并与试验结果对比,验证了本文模型和算法的可靠性。在此基础上,通过分组模拟分析了动载作用下,初始裂纹的位置、长度和方向对含复合型裂纹三点弯梁破坏模式、起裂时间与承载能力的影响规律。     

Size effects on strength, toughness and fatigue crack growth of gradient elastic solids

The present study investigates the microstructural size effect on the strength of a bar under axial loading, and on the toughness and crack growth of a beam under three-point bending within the framework of strain gradient elasticity. The gradient responses have been found considerably tougher as compared to the classical theory predictions and the observed deviation increases with increasing values of the non-dimensional parameter g/L (microstructural length over structural length). Based on the analytical solution of the strain energy release rate for the three-point bending case, a new, simple and universal, strain gradient elasticity, brittle fracture criterion and a new, size adjusted fatigue crack growth law have been established. Finally, the analytical predictions of the current modeling compare well with previous experimental data, based on three-point bending tests on single-edge notched concrete beams.     

Mode I fracture-energy methods for concrete

Various energy methods are evaluated for concrete beams of different sizes with constant width and spandepth ratio and tested in three-point bending. Using load-deflection curves, two new methods to estimate the energy-release rate are proposed and compared with the other energy methods for mode I fracture. One of the new methods, which is based directly on the definition of energy-release rate, gives results which are size independent for precracked beams and also invariant with crack length.     

Crack path kinking under generalized stress state

Results of experimental investigations of three-point asymmetric bending applied to beams made of materials with substantially different structural, strength, and strain characteristics are presented. The effect of different types of fracture on the formation of crack kinks under a generalized stress state is revealed. Strength curves of the Coulomb-Mohr type are obtained for Plexiglas and fine-grained concrete, which are characterized by the quasi-brittle and brittle types of fracture, respectively. Dependences of the kink angles of the crack paths on the stress state in the case of three-point bending are described for these materials. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 50, No. 3, pp. 205–213, May–June, 2009.     

基于Cosserat近场动力学的纤维混凝土破坏模拟

本文基于Cosserat近场动力学发展了一种纤维混凝土的近场动力学模型,对纤维混凝土的破坏现象进行研究。该模型考察了物质点独立的转动自由度和物质点间的力偶作用,而且有表征微结构尺寸的内禀长度,相比于传统的近场动力学模型,更适合描述纤维混凝土这类胶结颗粒材料的力学行为。本文采用完全离散的方式对纤维进行建模,引入了纤维拔出实验中拔出位移和切应力的关系,并且采用组构张量描述纤维的局部分布。数值算例部分模拟了单纤维拔出实验、带预制裂纹的平板拉伸实验和三点弯曲梁实验。数值结果和已有的数值模型以及实验进行了对比,验证了所提出模型的正确性。此外,本文还调查了微结构对纤维混凝土破坏的影响,数值结果显示Cosserat剪切模量和内禀长度会影响裂纹的局部分布,但是不会改变裂纹的主方向。     

Mode II fracture-parameter estimates for concrete from beam specimens

At the present time, work on determination of fracture parameters for concrete subjected solely to mode I deformation states has advanced to the point where standard methods of testing and data evaluation have been proposed. Thus, many researchers are now considering the dual problems of (1) determination of fracture parameters for mode II deformation and (2) the need for this information (or put another way—the possible application of this information). In fact, the physical testing arrangements for mode II testing with no influence of mode I are not obvious; compromises must be made which will lead to approximations—perhaps fairly gross—in the estimates of mode II fracture parameters. Herein are presented experimental and analytical results for fracture parameters for beams loaded in antisymmetric four-point bending with a single-edge starter notch located in a region of high-shear and low-bending moment. This study complements another, presented elsewhere, in which beams in three-point bending were used with notches located off center. From this study, which included tests on 18 beam specimens, the following conclusions are reached. The beams must be tested in strain control. Crack initiation started in mode II but quickly changed to a mixed mode (although finite-element calculations indicate mode I is dominant). The fracture energy associated with the onset of unstable crack propagation is much larger than normally obtained for mode I—this is thought to be due to extensive aggregate interlock forces not present in normal bending or direct tension tests. Probably this type of testing arrangement is not suitable for determination of mode II fracture parameters because propagation does not occur under mode II conditions.     

混凝土楔入劈拉和三点弯曲断裂过程的细观数值模拟Mesoscale simulation on fracture process of wedge splitting and three-point bending of concrete

基于离散元思想和Voronoi单元划分技术,利用混凝土细观刚体弹簧元模型,开展了混凝土楔入劈拉试件和三点弯曲切口梁的断裂过程数值仿真分析。从裂缝开展过程、试件破坏形态、荷载-张口位移曲线(P-CMOD)和断裂能等方面,将数值分析结果与已有的试验结果进行了对比。结果表明,细观刚体弹簧元法较准确地模拟了混凝土楔入劈拉试件和三点弯曲切口梁断裂过程。最后,分析了缝高比和骨料体积含量对混凝土断裂过程的影响规律,发现断裂能随骨料体积含量呈单调递增趋势。