冲击荷载作用下混凝土细观力学性能研究

摘要

混凝土作为一种率敏感性材料，在强冲击载荷作用下其材料特性会发生很大的变化。长期以来，混凝土动态力学性能研究多数是在宏观层面上开展的，即将混凝土视为一种各向同性的均质材料，且大多数研究都建立在试验基础上，试验成果多偏离原型。为了清楚的掌握混凝土在冲击荷载作用下的动态力学性能以及影响因素，本文从细观层面上，将混凝土视为骨料、砂浆以及二者之间的界面层组成的非均匀复合材料，采用随机骨料模型，借助富勒Fuller三维级配曲线计算出各个区间骨料的颗粒数，利用MATLAB编程语言结合蒙特卡罗方法实现了混凝土细观结构三维球形骨料模型的自动生成。运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对纯砂浆、仅有一个骨料（骨料含量为3.35％）的混凝土试件、以及骨料含量为24％的单级配、二级配混凝土试件进行应变率分别为10s-1、102s-1下的冲击荷载下的动力分析，最后，对不同应变率下相同骨料含量和不同骨料含量相同应变率下的冲击结果进行了对比。结果表明:
　　 (1)从细观层次上对各相材料赋予不同的本构模型是合适的。
　　 (2)界面层是最薄弱、最需要加强的地方。
　　 (3)在低应变率下，试件碎成数块，碎块较大;在高应变率下碎块多为小块。
　　 (4)纯砂浆在不同应变率冲击荷载作用下表现出的率敏感性没有混凝土强烈。混凝土（骨料含量为24％）在应变率为100s-1的冲击荷载作用下的极限抗压强度比应变率为10s-1下的提高了80％，并且其应力应变曲线下降段很陡，表现出明显的脆性。
　　 (5)混凝土（骨料含量为24％）峰值压应变随应变率的增加有所增加，单级配和二级配的峰值压应变分别提高了21.2％和12.5％。
　　 (6)冲击荷载作用下，骨料含量相同时不同级配对力学性能的影响不大，且在高应变率下不同骨料含量对力学性能的影响较大。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 混凝土研究层次

1．3 混凝土细观模型研究进展

1．3．1 网格模型

1．3．2 粒子模型

1．3．3 刚体—弹簧元模型

1．3．4 微平面模型

1．3．5 随机骨料模型

1．3．6 梁-颗粒模型

1．3．7 微观力学模型

1．4 混凝土动态力学性能研究进展

1．4．1 国外研究进展

1．4．2 国内研究进展

1．5 本文研究内容

1．6 课题的创新性

第2章 混凝土随机骨料模型理论基础

2．1 骨料参数的确定

2．2 级配理论的应用

2．3 蒙特卡罗方法

2．4 MATLAB简要介绍

2．5 MTATLAB中随机数的实现

第3章 混凝土三维球形骨料随机生成

3．1 三维球形骨料投放过程

3．2 混凝土三维球形骨料的生成

3．3 数据的输出

3．4 本章小结

第4章 混凝土动态本构模型介绍与应用

4．1 混凝土动态本构模型

4．2 动态本构模型在本文中的应用

4．2．1 骨料本构模型选取

4．2．2 砂浆本构模型选取

第5章 有限元软件简介

5．1 ANSYS／LS-DYNA简介

5．2 LS-DYNA功能特点

5．3 LS-DYNA应用领域

5．4 LS-DYNA程序算法基础

5．4．1 显式与隐式积分

5．4．2 LS-DYNA的接触算法

5．4．3 LS-DYNA的沙漏控制技术

第6章 细观混凝土动态力学性能有限元分析

6．1 模型单元的选取

6．2 材料本构关系的选取

6．3 有限元模型的建立及网格划分

6．3．1 纯砂浆模型的建立及网格划分

6．3．2 单骨料混凝土试件模型的建立及网格划分

6．3．3 多骨料混凝土试件模型的建立及网格划分

6．4 接触及约束

6．5 施加载荷

6．6 有限元结果分析与对比

6．6．1 变形

6．6．2 最大主应力

6．6．3 σ-ε曲线对比

6．7 本章小结

结论和展望

结论

展望

参考文献

致谢

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