混凝土试件静动力破坏过程细观数值模拟

论文摘要

近来,随着混凝土力学性能研究的深入和计算机技术的飞速发展,通过混凝土力学性能试验与数值仿真相结合来研究混凝土的力学特性日益受到重视,而细观数值模型比较宏观模型更能有效考虑材料组成的不均匀性和混凝土的局部破坏特征。在生成与真实混凝土相似的混凝土骨料模型的基础上,混凝土材料破坏过程的细观数值试验能否得到合理结果,一方面取决于如何选择和确定单元的破坏准则及单元刚度矩阵的退化规律；另一方面取决于细观单元材料参数的选取。同时,由于细观单元数量庞大,选择合适的计算方法,提高计算效率也是该问题的关键。本文在细观层次上把混凝土看作是由粗骨料、水泥砂浆基质和二者之间的界面所组成的三相非均匀复合材料,自行编译FORTRAN细观损伤有限元计算程序,采用Tecplot软件进行后处理,来模拟混凝土的宏观力学性能。具体来看,论文工作包括以下几个部分：（1）为了反映混凝土的实际浇注情况,建立随机凹凸骨料数值模型。随机骨料的生成过程中,一方面通过骨料粒径极值比阈值的方法,剔除奇形骨料颗粒；另一方面,在骨料填充之后,进行颗粒局部交叠区域的微小步长自动细致调整,既保证了骨料目标填充效率及成功率,又兼顾了骨料形状与分布的随机性。（2）为模拟混凝土宏观应力-应变曲线的软化段,在简单的弹性损伤本构的基础上,对混凝土细观单元随机参量的选取进行探讨,得出以弹性模量和强度的乘积作为综合随机参量,同时以弹性模量也作为随机参量,来生成细观单元的物理参数可以获得较好的应力-应变曲线。（3）采用（2）所述材料生成方法,对混凝土立方体试件进行单轴荷载下的数值模拟,根据得到的应力-应变曲线和裂纹演化图,分析了混凝土的损伤断裂过程；对预制裂纹的混凝土试件进行拉伸、压剪数值试验,得到混凝土拉伸断裂及压剪断裂破坏过程；建立单颗骨料混凝土试件,探讨界面强度对混凝土宏观强度的影响,同时探讨骨料形状对裂纹扩展的影响。在建立单颗骨料及双颗骨料模型的基础上,对混凝土裂纹最容易扩展路径进行数值模拟分析。最后,对混凝土试件在单轴动态位移荷载下的力学性能进行数值模拟。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 混凝土的组成及力学性能
• 1.1.1 混凝土的组成材料
• 1.1.2 混凝土各组分的力学性能
• 1.1.3 混凝土单轴受力性质
• 1.2 混凝土损伤破坏的细观力学研究综述
• 1.2.1 混凝土结构的层次模型
• 1.2.2 常用的混凝土细观数值模型
• 1.3 材料力学参数分布的随机性
• 1.4 本文的主要研究工作
• 2 混凝土损伤本构及有限元基本理论
• 2.1 损伤力学的基本概念
• 2.1.1 损伤变量和有效应力
• 2.1.2 应变等价原理
• 2.2 本文的损伤本构模型
• 2.2.1 拉伸损伤演化方程
• 2.2.2 压剪损伤演化方程
• 2.2.3 考虑泊松比效应的应力应变
• 2.3 有限元应力分析
• 2.3.1 单元分析
• 2.3.2 应变转化矩阵
• 2.3.3 单元刚度矩阵
• 2.3.4 结构整体分析
• 2.3.5 波前法介绍
• 2.4 损伤有限元计算方法
• 3 随机骨料模型的生成及随机力学参量的探讨
• 3.1 随机骨料颗粒的生成
• 3.1.1 凹凸骨料颗粒数值模型
• 3.1.2 粒径及面积计算与骨料形状控制
• 3.2 混凝土随机骨料模型的数值生成算法
• 3.2.1 按照骨料级配曲线确定骨料粒径
• 3.2.2 骨料颗粒集合的两阶段高效填充算法
• 3.3 混凝土随机骨料模型的有限元剖分技术
• 3.4 随机力学参量的选取探讨
• 3.4.1 材料的非均匀性描述
• 3.4.2 随机力学参量选取组合假定与探讨
• 4 混凝土单轴静力力学性能细观数值试验
• 4.1 混凝土数值模型
• 4.1.1 骨料模型
• 4.1.2 材料参数
• 4.2 混凝土单轴力学性能试验
• 4.2.1 混凝土单轴拉伸、压缩细观损伤演化分析
• 4.2.2 骨料模型对混凝土单轴力学性能的影响
• 4.3 混凝土拉伸断裂过程数值模拟
• 4.3.1 数值模型的建立
• 4.3.2 数值模拟结果分析
• 4.4 混凝土剪切断裂过程数值模拟
• 4.4.1 数值模型的建立
• 4.4.2 剪切断裂数值模拟结果分析
• 4.5 单颗骨料试样界面强度影响分析
• 4.5.1 预制裂纹单骨料试件结果分析
• 4.5.2 无预制裂纹单骨料试件结果分析
• 4.6 混凝土裂纹扩展概率统计分析
• 4.7 骨料形状对裂纹扩展的影响
• 5 混凝土动态力学性能细观数值试验
• 5.1 动力有限元基本理论
• 5.1.1 结构的动力方程
• 5.1.2 结构动力响应的逐步积分法:Newmark方法
• 5.1.3 细观单元动态损伤本构
• 5.2 凝土动态荷载下的数值试验
• 5.2.1 动力计算数值模型及细观参数
• 5.2.2 计算结果分析
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢