应变硬化纤维增强水泥基复合材料的有限元模拟研究

摘要

应变硬化纤维增强水泥基复合材料是一种具有超高韧性的纤维增强水泥基复合材料，而ECC（Engineered cementitious composites）作为其中典型的高韧性代表，通过一定的材料配比和设计方法，该材料的极限抗拉应变3%以上。国内对ECC的研究起步较晚但发展很快，目前大多数的研究主要集中于试验研究领域，实际工程应用较少，有限元模拟仿真较少，而实际试验又耗费大量的人力和物力。因此本文旨在从数值模拟的角度提出一种新的ECC材料的建模方法，利用有限元模型研究其各项力学性能并进行参数分析。鉴于此，本文主要利用ABAQUS有限元软件，建立三维两相的细观有限元模型，考虑纤维和基体的界面相互作用，实现了对ECC材料有效的模拟，并研究主要参数对其力学性能的影响。具体工作如下：
　　(1)利用蒙特卡洛方法建立了纤维的随机投放过程，并用 MATLAB编程语言研究了相应算法，实现了纤维横截面在二维空间中的随机投放、纤维纵截面在二维空间中的随机投放、三维实体纤维在三维空间中的随机分布、三维线性纤维在三维空间中随机投放，为建立有限元模型奠定基础。
　　(2)运用ABAQUS有限元模拟软件，纤维选用桁架单元，基体选用C3D8R单元。对于本构关系模型，基体采用塑性损伤模型，纤维本构采用基于纤维单丝拉拔荷载位移曲线提出的纤维-基体联合本构关系模型，并将纤维嵌入基体中，建立纤维和基体三维两相的有限元模型。
　　(3)利用建立的纤维基体两相三维有限元模型，模拟 ECC材料的单轴压缩试验以及四点弯曲试验，通过与文献中试验进行对比，确认模型的有效性。并改变纤维体积分数、基体开裂强度、初始滑动摩擦应力等参数进行参数分析。对于抗压试验，ECC的抗压强度和纤维体积分数的关系不大，峰值应变变化并不明显，但 ECC的受压破坏之后的韧性改善十分明显；对于四点弯曲试验，2%纤维体积掺量是理想的应变硬化现象产生的临界值，且随着纤维体积分数的不断增加，ECC的韧性会显著增加；降低基体开裂强度有助于ECC应变硬化能力的提高，但会降低试件的峰值荷载；初始滑动摩擦应力?0与弯曲极限荷载呈正比例关系，且对ECC弯曲韧性的影响并不是简单的线性关系，对于一定的纤维和基体；存在一个最佳的?0使得ECC的弯曲韧性最大。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 纤维增强水泥基复合材料研究现状

1.3 ECC主要的研究方法

1.4 问题提出及研究内容

第2章 纤维随机投放算法研究

2.1 引言

2.2 蒙特卡洛方法

2.3 二维纤维的随机投放算法研究

2.4 纤维三维随机分布算法

2.5 小结

第3章 PVA-ECC材料细观有限元模型的建立

3.1 引言

3.2 PVA-ECC细观有限元模型建模方法简介

3.3 纤维和基体单元选择

3.4 纤维和基体本构关系的选择

3.5 小结

第4章 PVA-ECC的力学试验有限元模拟

4.1 引言

4.2 PVA-ECC单轴压缩试验模拟

4.3 PVA-ECC四点弯曲试验模拟

4.4 基体开裂强度对PVA-ECC弯曲性能的影响

4.5 初始摩擦应力τ0对PVA-ECC弯曲性能的影响

4.6 小结

结论

参考文献

声明

致谢