混凝土圆形骨料周边应力集中系数的解析法

由于骨料与砂浆材料力学特性的不同,混凝土内部存在应力集中现象.又由于混凝土内部骨料众多且分布复杂,采用细观力学方法分析混凝土各处应力会遇到计算量大、划分单元困难的难题.因此,针对二维模型推导出了计算混凝土圆形单骨料周边应力集中系数的解析解.根据此解析解,应用叠加方法可通过均匀介质模型近似计算非均匀的混凝土各处应力,使计算模型非常简单.通过对单骨料和四骨料模型进行计算,并与有限元计算结果比较证明本文所给解析方法能够满足精度要求.     

增强相形态对复合材料微区力学状态影响的有限元分析

采用三维有限元方法模拟了非连续增强金属基复合材料的应力场，得到了不同长径比的椭球形增强体周围的最大主应力场和应力球张量场的分布，分析了增强体长径比对非连续增强金属基复合材料的应力场、应力集中、界面应力过渡及材料内部最危险位置的影响。与仅适用于稀疏夹杂的Eshelby单夹杂模型相比，本文模型(体积分数约为20％—60％)与工程实际更加接近，所得的椭球状增强体内部应力分布并不均匀的计算结果与Eshelby的经典解析解有所不同。     

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。     

任意形状热夹杂位移场的三角形单元离散算法

平面夹杂模型在纤维增强型复合材料中有广泛应用.复合材料内部通常含有不规则形状夹杂,而夹杂物的存在能严重影响材料的机械力学性能,往往导致应力集中及裂纹萌生等失效先兆.先前关于多边形夹杂的研究大多数关注受均匀本征应变下的应力/应变解,而对位移的分析较少.基于格林函数方法和围道积分,本文给出了平面热夹杂边界线单元的封闭解析解...     

多焊点情况下胶焊单搭接头的静力分析

以胶接分析为基础,将焊点视为大剪切弹性模量胶粘荆,假设被粘体切应力沿厚度线性分布,胶层和焊点切应力沿厚度方向不变,建立了多焊点情况下胶焊单搭拉剪接头的线弹性应力解析模型.计算结果表明:被粘体正应力和胶层切应力解析解与有限元模型吻合得较好.对焊距的参数研究表明:胶焊单搭拉剪接头连接区纵向正应力和切应力随焊距减少而分布更均匀,峰值切应力下降,与前人的试验结果一致.     

混凝土构件中钢筋非均匀锈胀应力研究

研究钢筋锈蚀引起混凝土保护层开裂的机理,对于评估受锈蚀影响的混凝土结构剩余寿命具有重要意义。本文提出了一种求解钢筋非均匀锈蚀应力场的解析方法。基于Muskhelishvili的复变函数法和Verruijt共形映射公式,利用基于冯·米塞斯分布的钢筋非均匀锈蚀模型作为位移边界条件,得到了钢筋非均匀锈胀应力的解析解。通过与基于ANSYS有限元模拟结果的比较,验证了解析解的有效性。对比了不同锈蚀模式下引起的应力,发现非均匀锈蚀引起的最大应力远大于均匀锈蚀引起的最大应力。通过实例探讨了影响钢筋锈胀力的各个因素,研究表明：钢筋直径越大,锈胀力越小,混凝土保护层越容易开裂;混凝土保护层厚度越大,锈胀力越大;混凝土强度等级越高,钢筋锈胀力亦越大。为易受锈蚀影响的钢筋混凝土构件设计提供了科学依据。     

基于均匀化理论的混凝土宏细观力学特性研究

在细观层次上将混凝土视为由砂浆基质、骨料及其界面组成的三相复合材料,在此基础上,采用有限元方法,对混凝土弹性本构关系进行数值模拟,利用位移渐近展开技术和均匀化理论建立了多尺度力学框架下的有限元平衡方程,重点考察了单胞尺寸对宏观力学性能的影响,得到了相对最大骨料粒径的最小单胞尺寸,即5～10倍最大骨料粒径.作为例证,对混凝土三点弯梁进行了宏细观尺度数值仿真研究,结果表明:基于本文方法可以较好地反映混凝土的宏观力学行为.此外,由于骨料、砂浆的相互作用,应力分布呈现出宏观渐变平滑与细观局部突变的特征.     

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.      

任意形状热夹杂位移场的三角形单元离散算法

平面夹杂模型在纤维增强型复合材料中有广泛应用.复合材料内部通常含有不规则形状夹杂,而夹杂物的存在能严重影响材料的机械力学性能,往往导致应力集中及裂纹萌生等失效先兆.先前关于多边形夹杂的研究大多数关注受均匀本征应变下的应力/应变解,而对位移的分析较少. 基于格林函数方法和围道积分,本文给出了平面热夹杂边界线单元的封闭解析解,可方便应用于受任意分布本征应变的任意形状平面热夹杂位移场的数值计算.当夹杂受均匀本征应变时, 只需将该夹杂边界进行一维离散,因而本文方法可直接得出受均匀分布热本征应变的任意多边形夹杂位移场的封闭解析解.当夹杂区域存在非均匀分布本征应变时,可将该区域划分为足够小的三角形单元进行数值计算. 众所周知,应力应变场在多边形夹杂顶点处具有奇异性,容易导致数值计算上的处理困难及相应的数值稳定性问题; 然而本文工作表明,在多边形顶点处位移场是连续有界的, 因而数值稳定性较好.本文算法可以便捷高效地通过计算机编程实现. 文中给出的验证算例,均体现了本文离散方法的高精度、以及计算编程的鲁棒性.      

基于弹性理论的残余应力反演和变形计算

毛坯在制造过程中,材料力学性能的非均匀性导致其内部产生残余应力.残余应力会造成结构破坏,在工件的切削去除过程中,残余应力会逐渐释放并引起变形.采用有限元的“生死单元”技术模拟材料的切削去除过程,并转化为残余应力的释放,基于板壳理论、小变形理论、弹性理论和叠加原理,将径向基函数插值法与几何方程、物理方程相结合,开发出一种新的解析方法,反演残余应力场并计算变形.结果表明解析方法的理论解与有限元解高度吻合,能够用于判断残余应力分布并计算残余应力弹性释放引起的变形.     

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“...     

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。     

GENERAL FORM OF MATCHING EQUATION OF ELASTIC-PLASTIC FIELD NEAR CRACK LINE FOR MODEⅠCRACK UNDER PLANE STRESS CONDITION

Crack line field analysis method has become an independent method for crack elastic-plastic analysis, which greatly simplifies the complexity of crack elastic-plastic problems and overcomes the corresponding mathematical difficulty. With this method, the precise elastic-plastic solutions near crack lines for variety of crack problems can be obtained. But up to now all solutions obtained by this method were for different concrete problems, no general steps and no general form of matching equations near crack line are given out. With crack line analysis method, this paper proposes the general steps of elastic-plastic analysis near crack line for mode Ⅰ crack in elastic-perfectly plastic solids under plane stress condition, and in turn given out the solving process and result for a specific problem.     

Analytical solutions for the time-dependent behaviour of composite beams with partial interaction

This paper presents a generic modelling for the time-dependent analysis of composite steel–concrete beams with partial shear interaction that occurs due to the deformation of the shear connection. The time effects considered in this modelling are those that arise from shrinkage and creep deformations of the concrete slab, and these effects are modelled using algebraic representations such as those of the age-adjusted effective modulus method (AEMM) and the mean stress method (MS), which are viscoelastic models for concrete deformation that can be stated algebraically. The generic model lends itself to closed form solutions for the analysis of composite beams subjected to a generic applied loading under a variety of end conditions. In this paper, the generic model is applied for the time-dependent analysis of composite beams that are simply supported and encastré, and to a propped cantilever, that are subjected to uniformly distributed loading and shrinkage deformations. Various representations of the structural behaviour of these beams are given in closed form which can also be used to benchmark available modelling techniques, i.e. finite element and finite difference formulations, which require a spatial discretisation to be specified as well as the time discretisation to perform a time analysis.     

Cohesive zone model of intermediate crack-induced debonding of FRP-plated concrete beam

External bonding of FRP plates or sheets has emerged as a popular method for strengthening reinforced concrete structures. Debonding along the FPR–concrete interface can lead to premature failure of the structures. In this study, debonding induced by a flexural crack in a FRP-plated concrete beam is analyzed through a nonlinear fracture mechanics method. The concrete beam and FRP plate are modeled as linearly elastic simple beams connected together through a thin layer of FRP–concrete interface. A bi-linear cohesive (bond-slip) law, which has been verified by experiments, is used to model the FRP–concrete interface as a cohesive zone. Thus a cohesive zone model for intermediate crack-induced debonding is established with a unique feature of unifying the debonding initiation and growth into one model. Closed-form solutions of interfacial stress, FRP stress and ultimate load of the plated beam are obtained and then verified with the numerical solutions based on finite element analysis. Parametric studies are carried out to demonstrate the significant effect of FRP thickness on the interface debonding. The bond-slip shape is examined specifically. In spite of its profound effect on softening zone size, the bond-slip shape has been found to have little effect on the ultimate load of the plated beam. By making use of such a unique feature, a simplified explicit expression is obtained to determine the ultimate load of the plated concrete beam with a flexural crack conveniently. The cohesive zone model in this study also provides an efficient and effective way to analyze more general FRP–concrete interface debonding.     

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。     

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。     

基于网格生成的随机凹凸型混凝土骨料细观建模方法

基于目前混凝土细观数值分析多采用二维模型,提出了一种基于网格预先生成的二维随机凹凸型骨料的混凝土细观建模方法。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的网格质量问题。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的问题。该方法可保证投放的随机性以及级配分布的合理性,二维投放骨料含量可达75%。最后,采用混凝土损伤塑性模型模拟了混凝土保护层锈胀开裂的细观断裂破坏过程,分析了混凝土裂纹萌生、扩展过程及破坏形态,数值结果与实验结果吻合良好。     

A three-parameter elastic foundation model for interface stresses in curved beams externally strengthened by a thin FRP plate

Externally bonding of fiber reinforced polymer (FRP) plates or sheets has become a popular method for strengthening reinforced concrete structures. Stresses along the FRP–concrete interface are of great importance to the effectiveness of this type of strengthening because high stress concentration along the FRP–concrete interface can lead to the FRP debonding from the concrete beam. In this study, we develop an analytical solution of interface stresses in a curved structural beam bonded with a thin plate. A novel three-parameter elastic foundation model is used to describe the behavior of the adhesive layer. This adhesive layer model is an extension of the two-parameter elastic foundation commonly used in existing studies. It assumes that the shear stress in the adhesive layer is constant through the thickness, and the interface normal stresses along two concrete/adhesive and adhesive/FRP interfaces are different. Closed-form solutions are obtained for these two interfacial normal stresses, shear stress within the adhesive layer, and beam forces. The validation of these solutions is confirmed by finite element analysis.