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。     

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。     

混凝土三维参数化骨料模型的创建方法

在混凝土细观结构试件的模拟中,为了降低骨料之间的相互排斥性,缩小骨料之间的空隙、提高骨料的含量、加快试件的创建速度,提出混凝土三维参数化骨料模型的创建方法。该方法充分利用骨料的参数方程,给出了骨料内外的判别方法,以及点到骨料的距离的快速计算方法和误差估计,可以有效地控制骨料之间的空隙,从而提高试件中骨料的含量。实验表明这是一个有效的方法,可以按二级配生成含不规则骨料体积达55%以上的试件,完全达到了实际混凝土的骨料含量要求,为对混凝土进行细观力学分析提供了创建数值模型的方法。     

基于降阶均匀化理论的混凝土双尺度力学性能分析

混凝土材料细观特性对宏观力学性能有着重要影响。为进一步分析混凝土细观特性对宏观力学行为的影响规律,将混凝土材料简化为由骨料、砂浆和界面三相组成,编制了随机凸多面体骨料生成、投放和网格剖分算法,建立可用于有限元计算的满足级配要求的随机细观模型。针对直接使用细观力学模型计算量较大的问题,采用降阶均匀化理论,对混凝土细观胞元模型进行预处理并编制了相应的双尺度计算程序。对不同强度混凝土进行了单轴静态压缩双尺度计算,与实验数据和细观力学模拟结果符合较好。研究表明,降阶均匀化理论在加快求解速度的同时具有较高的精度,可以用于混凝土的多尺度力学性能分析。     

冲击荷载作用下混凝土材料的细观本构模型

将混凝土材料看成是水泥砂浆基体和粗骨料颗粒组成的2相复合材料,假设水泥砂浆基体和粗骨料颗粒均为弹性、均匀、各向同性的,粗骨料颗粒为球形。基于Mori-Tanaka理论和Eshelby 等效夹杂理论推出了混凝土材料弹性模量的计算公式。在Horii和Nemat-Nasser提出的脆性材料在双轴向压应力作用下破坏的滑移裂纹模型基础上,运用细观力学方法推导了微裂纹对材料弹性模量的弱化作用以及微裂纹的损伤演化方程。建立了混凝土材料在冲击荷载作用下的一维动态本构模型,模拟曲线与实验曲线符合良好,因而可以用该模型模拟混凝土材料在冲击荷载下的动态特性。     

混凝土细观随机骨料结构与有限元网格剖分

在细观层次上,混凝土被认为是一种由粗骨料、水泥砂浆及二者间的粘结带所组成三相非均质复合材料。本文首先基于蒙特卡罗随机抽样原理,用“取和放”方法在计算机上产生形状、尺寸和骨料颗粒分布与真实混凝土相似的随机骨料结构,再使用有限元分析软件ANSYS对骨料区域及砂浆区域分别划分网格,并编程在骨料和砂浆之间生成三角形三结点可控制厚度粘结单元,从而使三相网格缝合为一个整体,为混凝土非线性有限元分析提供可靠的细观计算模型。最后利用建立的模型进行混凝土轴心受拉和轴心受压的仿真模拟,在细观层次研究的基础上揭示出混凝土的宏观力学性能。     

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。     

基于Python-Abaqus的混凝土三维细观随机模型的建立

混凝土在细观层次上是由粗骨料、砂浆及两者间过渡区(界面层)组成的三相复合材料,建立一个能反映实际骨料级配、含量及形态的随机骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟的前提。本文通过编写Python脚本实现了Abaqus的二次开发,获得了含球形、椭球形(卵石)及凹凸型多面体(碎石)骨料并考虑了界面层的三维混凝土细观随机模型。结果表明,在三级配下可投放球形骨料的体分比可超过55%,对椭球和多面体骨料形状的模拟也较为真实。同时,提出了一种可提高骨料体积含量的布尔切割入侵判别法,并成功地对椭球骨料和多面体骨料进行了投放试验。由于程序已将粗骨料、砂浆和界面层自动分离,在进行网格剖分时可避免复杂的单元属性判别,得到的网格剖分满足粗骨料、砂浆及界面层网格协调性要求。最后,利用建立的几何模型进行了单轴压缩静力学数值模拟,进一步验证了混凝土细观随机模型的可靠性。     

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。     

基于细观力学的混凝土数值模型研究

详细分析了界面单元模型、接触面单元模型、CT图像三维重建模型三种细观混凝土数值模型的优缺点,并将数值计算结果与物理试验结果进行了对比.结果表明:混凝土接触面模型克服了界面单元模型中的界面层太厚、计算单元多、计算速度慢的弊端,且解决了原模型裂纹空洞区大的问题;而CT图像三维重建模型与实际物理模型能够一一对应,可以弥补传统随机混凝土骨料模型的不足.不仅可以使混凝土数值模型更接近于实际物理模型,而且可以较好地反映出了混凝土材料内部的力学特性.CT三维重建模型可为最终能够深入研究混凝土材料的细观破损机理开辟新的途径.     

混凝土多尺度应力响应方程及其数值模拟

针对混凝土的多相多尺度材料组成特征及其复杂力学响应问题, 首先, 根据混凝土中各组成材料的几何特征, 将C-S-H凝胶、硬化水泥浆体、砂浆及混凝土细观组成分别视为纳观、微观、亚细观和细观尺度上的复合材料, 并利用颗粒空间堆积方法, 重构了混凝土各尺度复合材料的简化几何模型; 其次, 基于重构的几何模型和等效夹杂理论, 通过等效刚度的升阶计算和应力响应的降阶计算, 建立各尺度复合材料应力响应之间的过渡关系, 推导混凝土多尺度应力响应方程, 并编制相应的计算程序; 最后, 以单轴压缩载荷作用为例, 数值计算载荷作用下混凝土各尺度复合材料中的应力响应, 分析骨料空间位置和相互作用以及水化产物刚度、几何形状和空间取向对其应力响应的影响规律. 结果表明, 单轴压缩载荷作用下, 混凝土细观组成中的应力分布并不均匀; 骨料颗粒之间的距离影响到混凝土中的应力分布, 其有效影响范围约为骨料粒径的6倍; 水泥水化产物的刚度、几何形状和空间取向是影响其应力分布的重要因素, 刚度越大, 所受应力越大, 与载荷作用方向的夹角越小, 长椭球形水化产物沿载荷作用方向的应力越大, 扁椭球形水化产物与之相反.      

离散元法在求解三维冲击动力学问题中的应用

提出了三维连结型离散模型,建立了可实现连结型模型(用于连续介质)-接触型模型(用于非连续介质)转化的三维离散元计算程序,用来模拟连续介质转变为非连续介质的力学过程．利用该计算程序对冲击载荷下混凝土块体内(连续体情况下)的应力波传播过程进行了数值模拟．将计算结果的数值与LS-DYNA程序计算的结果进行比较,验证了该计算程序的计算精度．在此基础上,模拟了混凝土块体的动态破坏(连续介质向非连续介质转化)过程．其计算结果可用动画显示,得到的破坏形式与由实验得到的破坏形式相近．两个算例说明该离散元模型及其计算程序是模拟计算伴随有连续介质向非连续介质转变的动态破坏问题的有力工具．     

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.     

水下爆炸冲击荷载作用下混凝土重力坝的破坏模式

考虑混凝土的高应变率效应,构建重力坝水下爆炸全耦合模型,运用显式动力分析程序LS-DYNA, 对水下爆炸冲击荷载作用下大坝动态响应进行分析,探讨大坝可能破坏模式及相应的破坏机制。研究 表明,大坝破坏模式不仅与坝体的自身动力特性有关,还取决于炸弹起爆时的水下深度、爆心距及炸弹药量; 重力坝坝头是抗爆性能薄弱部位,大坝可能破坏模式为上游迎爆面的爆炸成坑破坏、坝顶及坝下游面的震塌 破坏、坝头与上游直面交接处及下游折坡附近的脆性冲切破坏并出现贯穿性裂缝破坏。     

基于耦合算法的三维复杂结构冲击动力学特性

光滑粒子流体动力学-有限元耦合算法（SPH-FEM）较好地结合了SPH和FEM的优势,近年来逐渐被引入冲击动力学相关问题研究中。然而早期的研究对象多为单一材料的简单结构,所取得的研究成果距离实际工程应用仍有一定差距。为此,在总结前人工作的基础上,对SPH-FEM耦合算法进行适当改进,通过引入复合材料损伤模型,对复合材料蒙皮结构飞行器舱段结构进行建模计算,分析其在爆炸冲击激励下的冲击动力学特性。将数值计算结果与试验结果进行对比分析,验证该算法和模型的有效性和准确性,初步实现SPH-FEM的工程实际应用。最后总结了复合材料蒙皮结构飞行器在爆炸冲击激励下的一系列结构动态响应规律,以期为航天飞行器结构设计与防护提供参考。     

Modelling of compressive behaviour of concrete-like materials at high strain rate

Uniaxial compression tests are the most common tests for characterizing the strength of concrete-like materials. The dynamic compression strength of concrete-like material is typically obtained by Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) tests. The increase in material strength under dynamic loading is usually attributed to the strain rate effect and modelled with a dynamic increase factor (DIF). However, it was observed by some researchers that the radial inertial confinement caused apparent increase of dynamic strength of concrete-like specimen in SHPB tests. They attributed the material strength increase to this inertial effect, instead of the strain rate effect. In the present study, numerical analyses are performed to investigate the compressive behaviour of concrete-like material at high strain rates. A homogeneous macroscale model and a heterogeneous mesoscale model are developed in the study. In the macroscale model, the material is assumed to be homogeneous and isotropic. In the mesoscale model, the test sample is modelled as a three-phase composite consisting of aggregate, mortar matrix and interfacial transaction zone (ITZ) between the aggregate and the mortar matrix. The aggregate is assumed to be circular and the ITZ is modelled as a thin boundary around the aggregate. In the both models, the materials are assumed to be insensitive to the strain rate first. Therefore, the obtained strength enhancement is only due to the inertial confinement. Strain rate sensitive material properties are then used in the two models in the calculations. Numerical simulations of the concrete samples under compression at different strain rates are carried out. The relative contribution of the inertial effect and the strain rate effect on the compressive strength DIF is examined based on the numerical results. The failure process of concrete specimen is also studied.     

大岗山高拱坝强地震作用下损伤破坏分析

采用连续损伤力学中能量等效原理和有效应力概念,将混凝土强度降低、刚度劣化即损伤作为不可逆内变量张量,并考虑应变率效应和多轴应力状态,建立率相关弹塑性损伤模型.应力本构积分采用返回映射法,给出了有限元程序主要功能流程.对强地震作用下大岗山高拱坝损伤和破坏情况进行数值模拟,评价其强震后的安全性.结果显示,大坝在强震后总体损伤不大,结构安全性较好,但应注意抗震薄弱部位;同时大坝不同部位率响应明显不同,对混凝土力学性能影响不容忽视.     

基于石膏材料的小结构重力坝损伤本构模型研究

大坝模型试验的模型材料力学性能是试验成功与否的关键影响因素。基于石膏模型材料基本力学性质和混凝土材料基本相似的实际情况,考虑石膏模型材料的孔隙率,在能量损伤理论模型的基础上,结合工程规范,建立了石膏模型材料的受拉损伤本构模型。同时,分析了模型材料应变率对材料峰值应力的影响,引入动应力提高系数,并给出了与应变率相关的模型材料受拉损伤本构模型。利用该本构模型模拟了动荷载下石膏模型重力坝的破坏过程,并与模型试验结果进行对比。结果表明：数值模拟得到的重力坝开裂破坏的位置、形式与模型试验结果较为接近。     

脆性材料动态破坏过程的数值模拟

根据连续介质力学基本原理和离散元法基本思想，针对脆性材料动态破坏过程问题，推导出基于圆盘单元的正交各向异性离散元二维计算模型，并利用此模型计算了各向异性薄板在冲击载荷下的应力波传播问题。通过将计算结果与LS－DYNA程序相比较，表明了本文提出的离散元模型的精确性。另外，对钢弹侵彻下滑凝土圆板破坏过程这个典型的发生连续介质向非连续介质转化的动力学问题进行了数值模拟和动画显示，并同侵彻实验中出现的几种破坏形式进行了分析和对比，从而证明了本计算方法是计算和模拟脆性材料出现从连续介质向非连续介质转变的动态破坏问题的有力工具。     

THE APPLICATION OF DISCRETE ELEMENT METHOD IN SOLVING THREE-DIMENTIONAL IMPACT DYNAMICS PROBLEMS

A three-dimensional discrete element model of the connective type is presented. Moreover, a three- dimensional numerical analysis code, which can carry out the transitional process from connective model (for continuum) to contact model (for non-continuum), is developed for simulating the mechanical process from continuum to non-continuum. The wave propagation process in a concrete block (as continuum) made of cement grout under impact loading is numerically simulated with this code. By comparing its numerical results with those by LS-DYNA, the calculation accuracy of the model and algorithm is proved. Furthermore, the failure process of the concrete block under quasi-static loading is demonstrated, showing the basic dynamic transitional process from continuum to non-continuum. The results of calculation can be displayed by animation. The damage modes are similar to the experimental results. The two numerical examples above prove that our model and its code are powerful and efficient in simulating the dynamic failure problems accompanying the transition from continuum to non-continuum. It also shows that the discrete element method (DEM) will have broad prospects for development and application.