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.     

钢筋混凝土柱破坏过程扩展有限元数值模拟

为描述钢筋混凝土柱的破坏过程,分别建立了由三维实体单元和三维杆单元构成的精细化模型以及结合纤维梁单元的纤维梁与实体单元耦合模型.耦合模型中,钢筋混凝土柱下段混凝土和钢筋分别用三维实体单元与三维杆单元建模,通过耦合连接实现精细单元与粗糙单元之间的变形协调.基于混凝土弹塑性本构关系,运用扩展有限元方法模拟钢筋混凝土柱的荷载-位移曲线以及开裂过程,并进行比较.数值模拟与试验结果的比较表明,模拟得到的裂缝位置以及荷载-位移曲线与试验结果吻合较好.扩展有限元具有无需重划网格、无需预设裂纹的优点,能有效地模拟筋混凝土柱的开裂过程.耦合模型具有计算效率高的优势,且能较好地模拟构件的破坏模式.     

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。     

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。     

砌体结构破坏倒塌过程的离散单元模拟

基于传统颗粒离散单元模型（DEM）,开发了一种绑定式离散单元模型（BTDEM）用于砌体结构崩塌机制的研究,并对一个典型砌体结构的破坏倒塌过程进行数值模拟。结果证实BTDEM方法能够详细地模拟出砌体建筑结构的崩塌过程,同时还可以模拟出砌块的破碎,是一种普适性较强的模拟砌体结构建筑的高效数值方法。BTDEM方法具有计算速度...     

钢筋混凝土排架结构的抗爆破坏等级

为了研究钢筋混凝土排架结构在大当量爆炸冲击波下的破坏规律,依据最大TNT当量为3 t的爆炸试验,对排架主体结构的抗爆破坏等级进行数值模拟研究。通过量纲分析得到1/2缩比模型的荷载参数和结构尺寸。基于Abaqus有限元软件,利用CONWEP方法实现爆炸加载,分别计算装药0.5 t爆距33 m和装药3 t爆距33 m两种工况下排架结构的破坏形态,并与试验结果进行对比。进一步通过控制药量和距离,计算不同超压和冲量下缩比模型的破坏形态。研究结果表明,排架的关键破坏特征为中间承重柱的倾覆转动;数值计算与试验破坏形态吻合较好,特征位移和特征转角的最大相对误差分别为5.6%和4.6%。以承重柱的倾覆角作为划分依据,将计算结果分为3种破坏等级,拟合得到的超压-冲量曲线和药量-距离曲线可用于厂房安全距离和仓库容量设计以及意外爆炸下的破坏程度预估。

     

岩石劈裂破坏过程的计算模拟

岩体的破坏主要是岩体中裂纹的扩展与贯通的结果.受压岩体的裂纹尖端,可能处于压剪状态,也可能处于拉剪状态.从断裂力学的角度,研究了地下工程围岩中的裂纹在各种受力条件下(包括拉剪、压剪两种情况)的起裂、扩展及贯通以至最终形成劈裂裂缝的特征及各个阶段的判据.针对压剪断裂,裂纹之间存在有粘结力与摩擦强度的特征,提出了岩石压剪断裂性判据.最后以受压岩体中的斜裂纹扩展过程分析为例,模拟了岩体中裂纹逐渐发展成劈裂破坏的过程,并说明了各个阶段的计算方法.     

短纤维增强复合材料破坏过程的数值模拟

利用一个材料破坏过程分析程序ＭＦＰＡ＾２Ｄ系统,研究了短纤维增强复合材料的破坏过程,研究表明,对于非均匀脆性材料而言,纤维与基体的强度、弹性模量经级纤维的弹塑性性质对宏观材料的强度和韧性有很大的影响,数值模拟再现了短纤维增强复合材料的变形、破坏全过程,包括纤维的止裂与桥连作用及微裂纹的萌生、扩展直至最宏观贯通。     

薄膜破坏过程数值模拟的MPM方法

将连续与不连续本构模型相结合用于薄膜破坏过程的模拟计算. 采用von Mises关联塑性本构模型描述材料的弹塑性变形过程,在塑性硬化和软化阶段通过检查分岔 是否发生, 从而判断是否有破坏出现,即材料出现应变局部化现象. 一旦出现破坏,则在发生 破坏的区域采用位移不连续(decohesion)本构模型进行模拟, 直到破坏面两侧材料完全分离. 分离阶段采用相应的分离算法同时运用黏性边界条件以提高计算效率. 结果表明结合连续与 不连续本构模型的方法, 能很好地模拟材料从局部化到完全破坏的过程,体现了材料破坏连续 建模的思想,可用于预测材料发生破坏的环境和形式, 从而通过改变材料工作环境提高其使用 寿命;同时数值算例也显示了物质点法(material-point-method, 简称MPM)的健壮性和有 效性.     

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。     

模拟结构倒塌破坏的有限质点法

有限质点法是以向量式力学为基础的新兴结构分析方法,本文将其应用于冲击荷载作用下的网壳结构的倒塌破坏模拟中。以空间杆单元为例建立了有限质点法的基本方程,推导了求解几何和材料非线性问题的基本公式。为计算断裂问题,建立了空间杆单元的断裂准则和断裂模型,发展了有限质点法进行断裂分析的基本算法。通过对某双层网壳冲击荷载下破坏过程的模拟和分析,验证了该方法在结构倒塌破坏过程模拟中的有效性和适用性。     

破坏钢筋混凝土构件实验研究

对钢筋混凝土构件开坑作了探索性研究，着重介绍聚能装药结构设计及在爆炸条件下形成高速密度带裙边的自锻弹丸的开坑结果。     

煤岩巷道冲击破坏过程相似模拟试验研究

采用相似材料模拟试验研究方法,利用单轴加载系统和数字散斑光测技术,根据相似材料配比制备脆性材料,对标准试块和三维巷道模型进行了相似试验研究。对相似模拟试验结果分析可知,实验室制备脆性材料模拟冲击地压巷道破坏过程是可行的,冲击破坏特征较明显;散斑计算结果说明,试块位移和应变变化与裂缝出现、扩展和贯通具有一致性,且竖向裂缝开展数量多、速度快;相似模拟试验结果也表明巷道顶板受冲击作用和下沉位移较大,两边帮向巷道内部弯曲变形也较大,甚至出现煤岩抛出和巷道垮塌。本试验也为进一步揭示煤岩巷道冲击破坏规律提供了新的途径。     

FRP-混凝土界面剥离破坏过程并行数值模拟

采用材料真实破裂过程三维并行分析(RFPA~(3D)-Parallel)系统,对FRP-混凝土界面的粘结性能进行了三维并行数值试验研究,数值试验再现了FRP-混凝土构件的三维破裂过程演化过程,清晰地表明拉伸载荷作用下FRP-混凝土界面剥离破坏是一个细观损伤不断产生和宏观裂缝形成的渐进过程,FRP-混凝土结构损伤演化过程的声发射揭示了FRP-混凝土结构在外载荷作用下的损伤程度.FRP-混凝土结构在加载过程中的变形剥离破坏过程大致可以划分为弹性变形阶段、弹性软化阶段、弹性软化剥离阶段和软化剥离阶段.数值计算表明RFPA~(3DParallel并行数值模拟方法为FRP-混凝土结构界面剥离破坏过程和机理研究提供了一个很好的途径,同时也为研究FRP-混凝土工程结构等的损伤断裂机理提供了一个新的分析手段.     

冲击载荷作用下钢筋混凝土结构动力响应仿真

运用动态有限元技术对冲击性载荷作用下钢筋混凝土结构的动力响应进行细观结构的仿真分析，建立分离式材料模型，获得射弹在钢筋混凝土中的侵彻深度与弹坑半径，得出钢筋配筋率、配筋方式、配筋位置以及混凝土材料性质等相关因素的影响规律，并针对结果进行分析和讨论，为防护工程设计提供了参考依据。     

基于离散-连续耦合方法的地下结构在地震中破坏过程模拟

基于改进后的土体离散-连续耦合算法,对坂神地震中神户大开地铁车站的坍塌破坏过程进行了数值模拟.通过改进适用于Lagrange乘子法求解的优化模型,来强化离散和连续模型在耦合边界上力的相容性,并将改进后的算法嵌入离散连续耦合动力模型.在耦合边界通过交换速度和力保证耦合模型的连续性,通过自振柱模拟和循环双轴模拟使离散区域土体的宏观动力属性与连续土体模型一致.土体离散连续耦合方法可以从细观尺度描述重点考察区域土体和结构的破坏过程,并有效降低离散元的模拟规模.模拟得到的车站破坏形式与文献中现场情况非常接近,并从定量角度与文献中基于连续体的模拟结果进行了比较.     

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.     

建筑结构倒塌破坏的数值模拟方法综述

对建筑结构倒塌破坏的数值模拟方法进行了综述,可归纳为预设损伤与破坏准则、隐式有限元、显式有限元、颗粒离散单元法等4类,分别就其发展历史和实际应用过程中存在的若干缺陷和问题进行探讨。根据颗粒离散元法的基本原理与特点,以某3跨10层的高层框架结构为算例,建立颗粒流模型,基于PFC2D软件编写程序,模拟该结构在突遭水平强击作用下从构件裂纹扩展、断裂、失效、退出工作、结构局部性坍塌一直到整体倒塌的全部动态过程,表明颗粒离散元法可对二维、三维倒塌过程中存在的大量非线性问题进行处理,与其他方法相比较具有较大优势。     

刚体弹簧元法对钢筋混凝土悬臂梁剪切破坏尺寸效应的模拟应用

为了研究刚体弹簧元法对钢筋混凝土构件在循环往复荷载作用下剪切性能尺寸效应研究的适用性与准确性,在平面二维刚体弹簧元模型的基础上,将其发展至三维,并应用于钢筋混凝土悬臂梁尺寸效应研究中.通过对比试验结果与数值模拟结果,分析了钢筋混凝土悬臂梁在循环往复荷载下的滞回性能、开裂变形等特征.结果表明:三维刚体弹簧元法能够较好地模拟不同尺寸的钢筋混凝土悬臂梁在循环往复荷载下的剪切性能,模拟得到的承载力、延性变形等和已有文献试验结果基本相符;循环往复荷载作用下的钢筋混凝土悬臂梁表现出明显的尺寸效应.     

基于扩展有限元法的混凝土细观断裂破坏过程模拟

扩展有限元法（XFEM）是分析不连续力学问题（特别是断裂问题）的一种有效的数值方法。在常规的有限元位移模式中,基于单位分解的思想加入一个跳跃函数和渐进缝尖位移场来对不连续体附近的节点自由度进行局部加强,从而反映了位移的不连续性。介绍了扩展有限元的基本原理,给出了扩展有限元进行混凝土开裂及裂纹扩展的分析方法,最后采用扩展有限元法模拟了湿筛混凝土单轴拉伸作用下及WinklerL-型混凝土板的细观断裂破坏过程。分析了混凝土裂纹萌生、扩展的过程及破坏形态,数值结果与实验结果吻合良好。研究表明：扩展有限元法通过特定的位移模式,使裂纹两侧不连续位移场的表达独立于网格划分,能有效地模拟混凝土材料细观断裂破坏过程。