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。     

基于颗粒流的混凝土材料数值实验研究

混凝土材料是一种典型的非均质材料,其力学行为和破坏过程很复杂.本文利用PFC颗粒流软件的内嵌fish语言编写了骨料生成程序、边界条件控制程序,程序模拟了MTS伺服功能,实现了虚拟的混凝土单轴压缩试验.相对于一般有限元程序投放的骨料,文中骨料可以破裂.在生成的数值试件基础上,设计了单级配和全级配混凝土单轴压缩试验,并对其破裂形态、裂纹扩展过程、应力应变曲线和破裂过程能量变化规律进行了研究.利用该虚拟试验平台,可对混凝土的动、静力学特性进行系统研究.     

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。     

三维随机凹凸型混凝土骨料细观建模方法研究

为了提高混凝土细观力学中数值模拟预处理的要求,提出了一种网格预先生成的三维随机凹凸型混凝土骨料建模方法。该方法利用已生成的网格状态进行骨料投放,有效解决了在细观三相介质中网格质量问题。采用随机凹凸型骨料使骨料模型更加接近真实形态,避免了该方法对骨料形貌描述不准确。同时,提出一种四面体分割法来判断空间三维骨料与单元节点的位置关系,进行细观三相介质单元判断,该方法可保证投放的随机性以及级配分布的合理性,三维投放骨料含量可达到65%。采用本文提出的预处理方法,结合混凝土塑性损伤模型,分析了钢筋锈蚀引起的保护层开裂破坏过程,结果表明:受随机骨料的影响,顺筋裂纹的产生具有不确定性。     

细观混凝土数值模型对比分析研究

从骨料的随机分布考虑,假定骨料为球形,分别模拟界面层为实体单元和接触面单元,建立了随机骨料分布模型和随机骨料接触面模型;基于CT图像,应用MATLAB和MIMICS软件,建立了不同特点的混凝土三维重建模型,对比分析以上模型的优缺点,从CT图像的CT数考虑,建立包含混凝土骨料的形状、级配、孔洞等的重建模型,该模型更加接近于真实的混凝土试件,为混凝土的细观数值模型研究提供了一条全新的研究思路,具有一定参考价值。     

混凝土材料宏观力学特性分析的细观单元等效化模型

提出了一种混凝土材料宏观力学特性分析的新方法—细观单元等效化模型。该方法从描述混凝土材料的细观尺度入手,采用Monte Carlo法生成由骨料颗粒及砂浆基质组成的混凝土试件的随机骨料模型;然后,依据混凝土材料特征单元尺度来剖分有限元网格并投影到建立的随机骨料模型上,各细观单元的有效力学特性则采用复合材料等效化方法来确定。本文方法体现了材料非线性宏观力学特性源于其内在的不均匀性这一认识,而对不均匀性的描述则是以网格剖分是否影响其宏观力学特性为准则。因此,本文方法较其他细观力学方法最大的优点在于极大地减小了体系自由度数目（特别是对于三维问题）,从而提高了计算效率。算例分析初步验证了本文方法的高效性。     

拉伸载荷下混凝土体分形内聚模型

在综合考虑混凝土试件微断裂面分形分布及断面分形演化基础上,提出了体分形内聚模型,用于描述混凝土试件在准静态拉伸载荷作用下的破坏行为。数值计算结果与现有实验数据吻合较好。此外,采用该模型分析了混凝土骨料级配对材料软化性质的影响。结果表明,在拉伸载荷作用下,混凝土骨料级配越均匀,材料的软化特征越明显。     

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。     

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。     

具有大量椭圆颗粒/孔洞随机分布区域的计算机模拟及其改进三角形自动网格生成算法

针对颗粒／孔洞为椭圆形状并且呈随机分布的多相复合材料给出了一种计算机模拟方法，同时针对这样复杂的二维区域提供了一个改进的快速自动三角形网格剖分算法。最后用实例说明了算法的有效性。此算法可以推广到三维情形、裂纹材料等。     

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。     

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。     

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.     

沥青混凝土级配曲线的数值设计方法与对有效弹性模量影响的研究

沥青混凝土有效性能的预测和评估是其在道路工程与大坝防渗等应用中的关键问题。本文利用细观随机建模技术和有限元方法研究了级配曲线对沥青混凝土有效弹性模量的影响。首先,基于改进的蒙特卡洛法分别实现了服从工程筛分级配曲线或给定函数级配曲线的沥青混凝土细观随机模型的高效生成;然后,利用建立的模型分析了骨料的含量、弹性模量和试样尺寸对沥青混凝土的有效弹性模量的影响,并与实验结果进行对比,验证了所建模型的可靠性;从而,预测了在AC-13级配范围内级配曲线的凹凸程度,即粗细骨料的组成比例对沥青混凝土有效弹性模量的影响。结果表明,级配曲线的凹凸程度对其有效弹性模量影响存在较大差异,级配曲线的下凹(粗骨料占比增大)会导致有效弹性模量迅速增大,级配曲线的上凸(细骨料占比增大)也会引起有效弹性模量略有上升;另外提出的随机建模方法可实现对级配曲线,即对粗细骨料组成比例的定制设计.     

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.     

大量椭球颗粒随机分布三维区域的模拟及其四面体网格快速生成算法

针对颗粒为椭球形状并且随机分布的多相复合材料给出了三维情形下的计算机模拟方法,并对此复杂区域提供了一种四面体网格快速生成算法。此方法的基本思想:首先是根据材料的要求,给出随机颗粒材料的计算机模拟,然后对模拟后的颗粒边界初始化,得到一些初始剖分点,并给出剖分区域的初始网格(正四面体),接着把颗粒的初始边界点投入到剖分区域中,替换区域中靠此点近的点,并且采用加点寻找边界的方法和修正初始点方法来解决四面体穿刺边界问题,从而得到整个区域的四面体网格。最后用实例说明了算法的有效性。