基于细观力学的混凝土弹塑脆性损伤研究

将混凝土假定为一种由硬化水泥砂浆、粗骨料、界面粘结带所组成的三相复合材料,在满足骨料级配曲线算法的基础上,采用细观单元的弹塑脆性损伤本构关系,考虑材料的非均质特性,建立了基于细观力学的混凝土弹塑脆性损伤数值模型;分别研究了单轴受拉预置裂纹试样和单轴受压混凝土试样的细观弹塑脆性损伤破坏行为,并揭示了混凝土的宏观表征强度存在明显的尺寸效应,通过将计算结果与 Bazant 尺寸效应公式、单轴受压物理实验曲线进行对比,验证了模型的正确性。数值试验表明：该模型可以清晰地模拟混凝土细观塑性屈服和失效裂纹的萌生和扩展。骨料与水泥砂浆间的界面粘结带相对薄弱,在混凝土试件形成宏观损伤局部化带前,试件的屈服和破坏首先发生在骨料边缘处的界面位置,并沿着界面粘结带扩展、贯通;同时,导致宏观裂纹形成和发展的因素仍以细观单元的拉伸破坏为主。     

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.      

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.     

混凝土楔入劈拉和三点弯曲断裂过程的细观数值模拟

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。     

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。     

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。     

金属试件变形断裂过程的计算模拟分析——组合功密度模型的应用

本文作者已建立了一个既适用于裂纹体亦适用于无裂纹体的统一损伤断裂模型——组合功密度模型。在本文中,作者应用该模型并结合大应变弹塑性有限元方法对40Cr制的圆棒光滑拉伸试件、圆棒切口拉伸试件和三点弯曲裂纹试件的变形和断裂过程进行了计算模拟。模拟结果很好地再现了两种圆棒拉伸试件的实验过程;而对于三点弯曲试件,模拟得到的载荷——加载位移关系曲线、裂纹扩展量——加载位移关系曲线、J_R阻力曲线和断裂韧性J_(IC)值等均与实测结果相当吻合。证实了该模型既能用于模拟预测无裂纹体中的裂纹萌生和扩展,也能模拟预测裂纹体中的裂纹起裂和稳定扩展过程。     

用于模拟颗粒增强复台材料破坏过程的梁-颗粒细观模型的实验验证

本文的主要目的是验证梁－颗粒细观模型在模拟混凝土和砂岩类颗粒增强复合材料连续破坏过程的有效性。文中首先介绍了梁－颗粒细观数值模型的基本原理，然后给出了由细钢丝粘结成的正方体试件的单轴抗压实验结果，最后用梁－颗粒细观模型对物理实验进行了数值模拟。研究结果表明，物理实验和数值模拟所得到的试件破坏模式和荷载－位移曲线，两者基本一致。从而初步证明了梁－颗粒细观数值模型是模拟颗粒增强复合材料破坏过程，以及解释其损伤机理的一个有效工具。     

梁-颗粒模型在混凝土侵彻问题中的应用

用二维梁-颗粒模型BPM2D（beam-particle model in two dimensions）模拟了混凝土侵彻问题。在模型中用3种类型梁单元形成混凝土数值试样。每种类型梁单元的力学性质均按韦伯分布随机赋值来模拟混凝土细观结构的非均匀性。利用此模型对在钢弹侵彻下混凝土圆板的破坏过程进行了数值模拟。通过将计算结果与实验数据及LS-DYNA程序模拟结果比较,表明梁-颗粒模型可有效地应用于计算和模拟材料从连续介质向非连续介质转变的动态破坏问题。     

动能弹侵彻素混凝土板的数值模拟

用二维梁-颗粒模型BPM2D(Beam-Particle Model in Two Dimensions)模拟了刚性弹体侵彻和贯穿素混凝土板的过程．梁-颗粒模型BPM2D是在离散元法基础上,结合有限元法开发的二维数值计算模型．在模型中用三种类型梁单元形成混凝土数值试样．每种类型梁单元的力学性质均按韦布尔(Weibull)分布随机赋值以模拟混凝土细观结构的非均匀性,同时梁单元的强度随应变率不同而变化．利用此模型分析了弹体侵彻下混凝土板的破坏过程,并给出不同弹体初始速度条件下各时刻混凝土和弹体内部速度场．通过将计算结果与实验数据及LS—DYNA程序模拟结果相比较,表明梁-颗粒模型可有效应用于计算和模拟脆性材料动态破坏问题．     

钢筋混凝土梁受弯破坏过程的细观数值模拟研究

在细观层次上将混凝土视为由粗骨料、硬化水泥砂浆及界面粘结带组成的三相非均质复合材料,能够较好地模拟混凝土加载时的裂缝扩展过程和分布规律。本文采用细观刚体弹簧元法模拟了钢筋混凝土梁的弯曲受力性能和破坏过程,加载方式采用两点对称加载。数值计算得到了钢筋混凝土梁的破坏形态和荷载一变形曲线,并分析了受力过程中纵向钢筋的应力变化。与试验结果对比表明,细观刚体弹簧元法可以有效模拟钢筋混凝土梁的裂缝开展过程、破坏形态和荷载一变形响应。     

基于三维细观模型的全级配混凝土静态力学性能的数值模拟

根据混凝土材料的细观组成和力学特性,研究了骨料几何形状和空间分布规律,建立全级配混凝土三维凸多面体随机细观模型,引入了混凝土细观组份材料的本构模型,分别模拟了单轴、双轴和三轴状态下混凝土的静态力学性能,并建立混凝土梁的三维宏细观分析模型,研究了三点弯曲梁的变形及裂缝扩展情况。结果表明,本文建立的细观力学模型的计算结果与实验数据吻合较好,可以较好地模拟各种复杂应力条件下混凝土的静态力学性能和损伤破坏机理。     

受拉钢筋混凝土构件破坏过程的数值模拟

采用三维材料破坏过程分析MFPA3D系统,对钢筋混凝土构件轴心受拉条件下的受力、变形与内部裂纹萌生、扩展及最终破坏全过程进行了数值试验研究。数值模型中引入统计分布函数反映了混凝土的非均匀性影响,并采用具有残余强度的弹性损伤本构模型及其破坏单元材料性质退化方法,利用位移加载方式对钢筋混凝土构件实施拉伸加载。通过对钢筋、素混凝土方形体以及钢筋混凝土方形柱体构件在拉伸作用下破坏过程的数值试验,分析了钢筋与混凝土两种材料之间的相互作用、约束机理和破坏机理。数值试验成果对于深入了解钢筋和混凝土的联合受力规律和钢筋在开裂前后对整体钢筋混凝土结构的作用机制有参考价值。     

混凝土动态双轴拉压破坏准则细观数值模拟研究

正常服役期内的混凝土结构往往处于复杂应力状态,并且不可避免地会受到偶发动力载荷作用.对于复杂载荷作用下的混凝土力学性能研究,破坏准则是基础.受试验设备等条件限制,现有的动态双轴拉压破坏准则形式复杂、缺乏更高应变率和侧应力比范围且尚未综合考虑应变率和侧应力比的耦合作用.为进一步提出适用范围更高且更准确的混凝土动态双轴拉压...     

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。     

Ⅰ型裂纹中低速冲击荷载下起裂韧度测试新方法

为了探寻更加合理的构型试件来研究纯Ⅰ型裂纹在冲击荷载下的起裂及扩展行为, 提出一种新构型试件, 即双倾斜底边中心裂纹试件(double inclined bottom central cracked, DIBCC)。借助于中低速落锤式冲击实验装置进行冲击实验, 通过应力波来使试件内预制裂纹起裂并扩展, 同时利用应变片测试系统监测裂纹起裂时刻, 并采用AUTODYN有限差分软件对实验过程进行数值模拟, 最后计算裂纹的动态应力强度因子, 利用实验测得的起裂时刻, 确定试件的起裂韧度。结果表明:(1)在反射拉伸波作用下, 预制裂纹两侧会产生垂直于裂纹面向外的位移, 使预制裂纹扩张, 从而使裂纹起裂。(2)数值模拟结果与实验结果在裂纹扩展路径上具有一致性, 说明本文中提出的DIBCC构型试件有效, 可以用来测试裂纹在冲击载荷下的断裂韧度。     

受拉钢筋混凝土构件破坏过程中的等间距裂缝形成机理

采用三维真实材料破坏过程分析RFPA3D(Three-Dimension Realistic Failure Process Anal-ysis)系统,先对受拉钢筋混凝土构件在轴向拉伸作用下的破坏过程进行了数值试验研究,并与相应的实验结果进行了比较,数值试验得到的结果都与实验吻合的较好.并在此验证基础上利用RFPA系统着重分析了混凝土及钢筋在拉伸条件下的破坏过程中的应力分布情况过程及破坏机理.数值试验结果表明,受拉钢筋混凝土结构破坏过程中存在“等间距裂缝现象“,并通过破坏分析再现了裂缝形成、加密直至饱和的演化过程.本文还用三维程序,通过多个不同混凝土厚度钢筋混凝土构件的数值试验,研究了混凝土厚度对裂缝数及裂缝间距的影响,进一步发现饱和裂缝间距与混凝土厚度之间存在正比关系.随混凝土保护层厚度的增加而增大,裂缝数量随混凝土保护层厚度的增加而减少.