基于随机骨料模型混凝土动态性能数值模拟

将混凝土看作水泥砂浆与粗骨料组成的非均质复合材料。编写二级配圆形骨料混凝土随机投放程序对混凝土动态破坏过程进行数值模拟,分析粗骨料颗粒中间粒径和最大粒径对二级配混凝土动态特性的影响。数值模拟结果表明:随着粗骨料颗粒中间粒径的增加,混凝土在动荷载作用下峰值应力先增大,然后逐渐减小,粗骨料颗粒中间粒径为15mm时,峰值应力达到最大;随着二级配混凝土粗骨料颗粒粒径最大值的增加,混凝土在动荷载下峰值应力逐渐减小。     

粗骨料粒径对混凝土动态压缩行为的影响研究

粗骨料作为混凝土材料组成最主要的部分,对混凝土力学性能和破坏模式有着很重要的影响。为了研究粗骨料平均粒径对混凝土动态力学性能的影响规律,针对不同平均粗骨料平均粒径（6、12、24 mm）的混凝土和砂浆材料进行了一系列SHPB试验,得到了不同应变率下各试件的应力-应变曲线,并对每种材料的动态增长因子（dynamic increase factor,DIF）与应变率的对数进行了线性拟合。结果表明:砂浆和混凝土材料的抗压强度具有明显的应变率效应,其动态抗压强度随着应变率的增加而逐渐增大,应力-应变曲线呈现相似的变化趋势;在相同的动态应变率条件下,平均粗骨料粒径为12 mm的混凝土的动态抗压强度最大,这与准静态条件下砂浆抗压强度最大截然不同;不同粗骨料粒径混凝土材料的应变率强化系数均大于砂浆材料,且随着粗骨料无量纲尺寸的增大,混凝土材料的应变率强化因子呈现先增大后减小的趋势。     

基于强度表征的混凝土脆性指标影响因素研究

借鉴岩石脆性指标的评价方法，依据峰值抗压强度和残余抗压强度对混凝土脆性指标进行了计算．讨论了粗骨料粒径和试样形状对混凝土脆性指标的影响，分析了抗压强度、峰值应变、单位体积吸收能、破碎分形维数与脆性指标的关联．结果表明：棱柱体试样的脆性指标均比同粒径的圆柱体试样脆性指标高；棱柱体试样与圆柱体试样的脆性指标均随粗骨料粒径的增大、抗压强度的降低而呈增大趋势；棱柱体试样与圆柱体试样的脆性指标均随峰值应变的减小、单位体积吸收能的减小和破碎分形维数的减小而增大．     

基于3D细观模型的混凝土动态压缩行为分析

通过建立混凝土的3D细观模型,在细观尺度上分析动态压缩荷载作用下混凝土材料内部裂缝的产生和发展、损伤演化和动态强度及其影响因素。首先,基于传统的“生成-投放”法生成粒径、形状和空间分布均随机的凸多面体粗骨料模型,并通过骨料沉降和粒径缩放实现粗骨料的大体积率（达50%）和可调控;使用四面体网格划分骨料和砂浆表征其真实物理形状;使用界面粘结接触表征界面过渡区（ITZ）提升计算效率。进一步通过对比不同粗骨料粒径混凝土的分离式霍普金森压杆（SHPB）试验数据与模拟结果,如杆上应变时程、试件动态应力-应变曲线和试件损伤破坏模式,验证了建立的混凝土3D细观有限元模型、参数确定方法和数值仿真方法的准确性。最后,分析了30～100 s-1应变率范围内骨料粒径（4～8、10～14和22～26 mm）、体积率（20%、30%和40%）和类型（石灰岩、花岗岩和玄武岩）对混凝土动态压缩强度的影响。结果表明：粗骨料粒径增大,混凝土动态压缩强度先增大后减小;粗骨料体积率越高,混凝土动态压缩强度越大;混凝土动态压缩强度随粗骨料强度的增加而提高。     

轻粗骨料含量对混凝土抗压性能尺寸效应影响的细观数值模拟

为了研究轻粗骨料含量对轻骨料混凝土立方体抗压破坏行为与尺寸效应的影响，本文根据瓦拉文公式确定轻粗骨料数量，借助混凝土细观数值建模方法分别建立了边长为100 mm、150 mm、300 mm、450 mm的二维轻骨料混凝土细观数值模型．采用塑性损伤本构模型，通过细观数值模拟研究了不同试件尺寸及不同轻粗骨料含量的轻骨料混凝土在单轴受压下的破坏形态及宏观应力-应变关系曲线．结果表明，在相同试件尺寸下，轻粗骨料含量对轻骨料混凝土单轴抗压强度有一定影响，受压破坏时轻粗骨料颗粒破坏．比较轻粗骨料含量相同的轻骨料混凝土立方体抗压性能发现，轻骨料混凝土尺寸效应明显，单轴抗压强度随试件尺寸增大而减小，且粗骨料含量影响轻骨料混凝土的尺寸效应．此外，细观数值模拟结果表明Ba?ant尺寸效应律适用于轻骨料混凝土的抗压性能．     

基于细观尺度的混凝土单轴力学性能仿真计算分析

基于细观力学建立了混凝土的2D随机骨料模型,应用塑性损伤本构模型,模拟了混凝土在单轴拉伸和压缩载荷下的力学性能和裂纹的萌生扩展。通过变参数分析,研究了粗骨料形状和面积分数、界面性能以及孔隙率等混凝土多相特征对应力-应变关系的影响。数值研究表明:粗骨料形状对混凝土拉压强度影响很小;粗骨料面积分数、界面性能和孔隙率是控制混凝土宏观响应的重要参数。研究发现:随粗骨料面积分数增加,混凝土拉压强度均表现出先减小后增大的变化趋势;而界面性能对混凝土的强度有重要影响,混凝土拉压强度随界面性能的增大而单调增加;孔隙率愈高,混凝土的拉压强度损失愈显著。     

混凝土细观组成对弹体正侵彻过程影响的数值模拟研究

从细观组成出发,根据已有文献中的随机骨料模型,将混凝土看作是骨料、砂浆与二者之间的界面过渡区构成的三相复合材料,利用程序语言C++6.0实现了三维随机骨料模型建模。采用动力学分析软件LS-DYNA对S.J.Hanchak部分混凝土靶板穿透试验(未考虑钢筋影响)进行了数值模拟,并对比连续均匀模型分析了混凝土细观组成对弹体的剩余弹速、靶板的破坏现象及损伤分布的影响,结果表明:仅考虑弹体侵彻混凝土靶板问题中的剩余速度参数,随机骨料模型与连续均匀模型所得结果基本一致;为提高计算效率,采用连续均匀模型进行分析即可。另一方面对不同骨料粒径(10mm~20mm、20mm~30mm、30mm~40mm、40mm~50mm、50mm~60mm、60mm~70mm)、速度范围为360m/s~1058m/s下弹体正侵彻混凝土靶板进行了数值计算,研究了骨料粒径及速度对弹体偏转角、峰值加速度的影响,并将数值计算结果与连续均匀模型进行了对比。结果表明:在本次计算中,骨料粒径对弹体的偏转有较大影响,弹体剩余速度随着平均骨料粒径、弹体直径比的增大而减小;峰值加速度随着平均骨料粒径、弹体直径比的增大而增大。     

含横向裂缝混凝土氯盐侵蚀所致锈裂面的细观分析

为了更精确地分析氯盐侵蚀下含横向裂缝混凝土的锈胀开裂规律,考虑混凝土骨料的几何本征特性,利用激光扫描及图像处理技术获取混凝土的真实骨料库;在此基础上建立了扩散与应力耦合的三维细观锈胀开裂计算模型,分析了锈裂面的几何形态,并研究了锈裂面的宽度、角度与骨料体积率及骨料比表面积的关系。研究表明：在含横向裂缝的混凝土试块中,氯盐侵蚀所致的锈蚀开裂面均为“双月牙”形态,且开裂面形态随骨料比表面积增大呈现较强的不对称性;锈裂面的最大宽度随骨料体积率减小而增大,当骨料体积率增大到20%,开裂面最大宽度基本保持不变;锈裂面的最大夹角位于混凝土横向裂缝正下方,当骨料比表面积为0.160～0.197 m~2/kg时,锈裂面的最大夹角范围为144°～160°。     

三向受压混凝土的动态特性研究

为探究混凝土在三向受压状态下的动态特性,利用自行研制的大型多功能三轴材料试验机,进行不同应变速率(10^-5/s、10^-4/s、10^-3/s、10^-2/s)下混凝土不同定侧压比(1:1、2:1、3:1、4:1)的动态真三轴抗压试验,研究了混凝土在动态抗压下的强度和变形特性。结果表明:混凝土在三向受压状态下表现出明显的应变率效应,峰值应力随着应变速率的增加先减小后增大,峰值应力减小最大幅度为5.42%而后开始增大,最大增幅为18.22%。而峰值应力随着侧压比的增大而增大,到达3:1时应力速率敏感性降低。混凝土的峰值应变在低侧压比(1:1和2:1)时随着应变速率的增加而减小,而在侧压比较高(3:1和4:1)时先减小再增大。随着应变速率的增加,裂纹开始从骨料处产生,塑性应变增大,导致峰值应变增大;在动态加载条件下,峰值应变随着侧压比的增大有先增大后减小的趋势。较高侧压比时混凝土的弹性模量随着应变速率的增加具有增大的趋势,最大增幅为240.66%。应力-应变曲线上升段随着应变速率增大越来越陡峭。试件的破坏形态随着侧压比的增大从柱状破坏变为斜剪破坏。     

骨料粒径对混凝土Ⅰ型断裂裂缝扩展影响研究

为研究不同骨料粒径混凝土Ⅰ型断裂裂缝扩展特性,开展了骨料粒径为10、20、30、40 mm的混凝土三点弯曲梁断裂试验;结合数字图像相关技术(digital image correlation, DIC)测得试件表面计算区域全场位移变化数据;对不同骨料粒径混凝土断裂能、断裂韧度、断裂过程区(fracture process zones, FPZ)变化和发展进行研究,探讨了FPZ扩展过程与峰后荷载之间的关系。结果表明：随着骨料粒径增大,试件峰值荷载和断裂参数均呈现先增大后减小的趋势,M20试件FPZ长度的变化与峰后荷载的变化有很强的关联性,其骨料对微裂缝扩展的约束效果最好;此外,通过分析不同骨料粒径混凝土试件FPZ的发展规律,可知,骨料粒径为20 mm的混凝土试件,其峰后局部变形能力得到了改善,断裂能及断裂韧度得到了提高,在断裂过程中具有比其他骨料粒径混凝土更高的承载力和更小的FPZ,因此,合适的骨料粒径为20 mm。     

Influence of desert sand on the mechanical properties of concrete subjected to impact loading

A74-mm-diameter Split Hopkinson pressure bar was used to carry out the dynamic compression experiment of concrete made of desert sand.The dynamic failure processes of concrete different in specimen size,impact velocity,desert sand replacement ratio,size and volume content of coarse aggregate were simulated.Research results showed that concrete made of desert sand had size-effect and was rate-dependent.The peak stress of concrete made of desert sand declined with the minimum size of coarse aggregate.However,the peak stress of concrete made of desert sand increased first,and then declined with the volume content and maximum size of coarse aggregate.     

混凝土冲击破坏动态力学及能量特性分析

动强度和能量耗散规律是研究混凝土动力特性的主要内容。为探究混凝土在冲击荷载作用下的动态力学、变形以及能量演化特征,利用直径为100 mm的霍普金森杆装置对骨料率为0、32%、37%和42%的混凝土试样,分别进行了冲击速度为5、6、7 m/s的冲击压缩试验。探讨了冲击速度和骨料率对试样变形、动强度以及分形维数的影响,建立了动强度关于冲击速度和骨料率的表达式,并对试样吸收能和裂纹表面能之间的关系进行了对比分析。结果表明:混凝土试样破坏时出现了变形滞后现象,破坏形式主要以劈裂拉伸破坏为主;动强度随冲击速度、骨料率的增大而增大,用所建动强度公式可以较好地预估混凝土动强度;混凝土破坏碎块分形维数、吸收能和裂纹表面能均随冲击速度的增大而增大,随骨料率的增大而减小,且吸收能始终高于裂纹表面能,当骨料率为37%时,吸收能转化率最高,约91%转化为裂纹表面能。     

细观混凝土靶抗侵彻数值模拟及侵彻深度模型

为研究细观混凝土靶的侵彻规律,采用LS-DYNA软件对刚性弹丸侵彻两相混凝土靶进行了数值模拟。结果表明,影响靶板抗侵彻能力的主要因素是砂浆种类、粗骨料种类和粗骨料体积分数;混凝土靶中的砂浆与对应的砂浆靶中的砂浆产生的阻力接近;混凝土靶中的粗骨料产生的阻力远低于对应的岩石靶中的岩石。通过扩展Forrestal阻力方程,建立了细观混凝土侵彻深度模型,模型和数值模拟一致性很好。     

活性粉末混凝土在多次冲击荷载下的力学行为

采用60％的超细工业废渣取代水泥制备了抗压强度达200 MPa的生态型活性粉末混凝土（RPC）,采用分离式霍普金森压杆装置对不同纤维掺量的RPC材料进行了4种方式的多次冲击压缩实验。定义了材料多次冲击压缩标准化强度,揭示了冲击次数、冲击方式、纤维掺量对材料抗多次冲击性能的影响规律。研究表明随着纤维掺量的提高,材料抗多次冲击的能力不断提高。随着冲击次数的增加,材料的损伤程度不断增大,标准化强度不断下降。随着冲击方式的改变,材料首次冲击的损伤增加,第2次和第3次冲击下材料峰值应力下降速度提高。     

基于“AM-GoogLeNet+BP”联合数据驱动的混凝土细观模型压缩应力-应变曲线预测

本文结合GoogLeNet卷积神经网络和BP神经网络分别在图像数据挖掘和数据分析方面的良好性能,采用“AM-GoogLeNet+BP”联合数据驱动方法,对混凝土细观模型(含砂浆、骨料及孔隙)的单轴压缩应力-应变曲线进行了有效预测.通过引入力学参量对图像数据驱动的训练结果进行优化,从而提升了神经网络的物理可解释性.基于Python语言实现混凝土细观模型在Abaqus中的自动建模及细观图像生成过程,并将生成的细观图像数据库与相应的压缩应力-应变曲线作为训练数据集.在GoogLeNet中分别引入SENet, ECANet和CBAM三种代表性注意力机制并对三种注意力机制的性能进行对比和分析,以自适应方式提升神经网络对混凝土各相组分的分析能力,并以此得到混凝土细观模型的初步应力-应变预测曲线;将骨料体积分数、孔隙率及初步峰值应力等物理参量作为输入引入BP神经网络以改善峰值应力的预测精度,并与将物理参量直接引入卷积神经网络输入层的方法进行了对比,最后定量给出了骨料体积分数和孔隙率对峰值应力的影响权重.结果表明,对于不同骨料体积分数及孔隙率的混凝土细观模型,该方法均展现了较高的预测精度.本文采用的“...     

钨合金弹体对混凝土靶的超高速侵彻机理

为研究钨合金弹体超高速侵彻混凝土靶的相关机理,构建了适用于超高速撞击的金属强度模型、失效模型和混凝土的本构模型,对93钨合金弹体超高速撞击混凝土靶问题进行了数值模拟。开展了钨合金弹体超高速撞击混凝土靶实验,分析了靶板成坑特性,研究了侵彻总深度和残余弹体长度随撞击速度的变化规律,理论分析了长杆钨弹超高速撞击混凝土的侵彻模型和混凝土靶内的应力波传播。得到以下主要结论:（1）利用金属及混凝土的新本构模型获得的超高速撞击混凝土靶的破坏形貌数值模拟结果与实验结果一致;（2）超高速撞击条件下混凝土靶成坑为“弹坑＋弹洞”形,成坑体积与弹体动能近似成正比;（3）超高速撞击条件下,侵彻深度随弹速提高呈现先增大后减小的现象,高速段侵深降低是弹体经历销蚀侵彻后“刚体侵彻阶段”减少造成的;（4）建立的钨合金超高速撞击混凝土侵彻分析模型,可用来预估侵彻深度、残余弹长、蘑菇头直径等参数;（5）采用建立的超高速撞击混凝土靶内应力波传播理论模型得到的计算结果与实验结果吻合较好。     

大直径SHTB实验装置数值模拟及混凝土细观骨料模型动态直拉研究

对混凝土材料在高应变率下的动态拉伸实验多以劈裂和层裂的形式进行，然而它们作为间接研究混凝土动态拉伸性能的实验技术具有一定的局限性，亟需使用大直径分离式Hopkinson拉杆（split Hopkinson tensile bar，SHTB）设备对混凝土进行动态直拉实验。因此，运用数值模拟方法对一种新型的霍普金森拉杆的入射波进行了研究，并对设备的局部构件进行改进，使其不仅具有对混凝土试件的胶粘连接方式，也可通过螺纹连接配套夹具以同时兼顾挂接等其他连接方式。针对改进后的SHTB装置，建立了圆环状三维混凝土细观骨料模型。通过数值模拟与实验结果的对比，验证了采用空心圆管式SHTB装置的有效性，并为混凝土细观骨料模型的动态拉伸模拟提供了思路。     

爆炸载荷作用下混凝土靶板动态响应的细观模拟

考虑到一些对裂纹要求较严格的混凝土结构可能遭受到冲击载荷的威胁,利用混凝土三维细观力学模型对混凝土板在炸药爆炸（接触爆炸、封闭爆炸）载荷作用下的响应和破坏情况进行数值模拟,并就影响靶板内裂纹扩展结果的因素展开参数讨论。模型考虑了混凝土材料的内部细观结构（包括粗骨料体积分数、尺寸、级配等）以及三相材料力学性能的影响,准确地预测了混凝土板在2种爆炸条件下的裂纹形貌和开坑尺寸。通过与宏观均质模型的模拟结果进行对比可知,细观模型预测的接触爆炸条件下混凝土靶板的开坑形态、尺寸,以及封闭爆炸条件下混凝土盖板的主裂纹数量,均与实验观察更为贴近。此外,参数研究结果表明,三维细观力学模型的全局网格尺寸以及模型内各组分的相对网格尺寸均会对模拟结果的精度产生影响,选择与空气网格尺寸相当的混凝土网格尺寸,可以在获得较准确模拟结果的同时保证计算效率;骨料粒径大小也会影响混凝土板在爆炸载荷作用下的响应和破坏结果。混凝土三维细观力学模型能够反映混凝土结构在冲击载荷作用下的损伤和破坏的细观机理及影响因素,对指导工程设计和结构安全评估具有重要的理论意义和实际应用价值。