混凝土动静力破坏过程的数值模拟及细观力学分析

摘要

本文从细观层次着手,把混凝土视为由骨料、砂浆及二者之间的界面层所组成的三相复合材料,在对大型商业有限元软件ANSYS进行了二次开发的基础上,对混凝土单轴压缩试件、三级配混凝土简支梁在静、动荷载作用下的力学性能和破坏过程进行了数值模拟,基于混凝土单轴压缩CT试验对材料裂纹的扩展、贯通以及最后破坏的过程进行了研究. 论文的工作具体可分为以下几个部分: 1.根据给定的试样尺寸,骨料级配及混凝土配合比,计算混凝土试件内部各级骨料颗粒的数目,利用蒙特卡罗方法,产生骨料在试件中的随机位置,建立了模拟混凝土细观结构的三维数学模型.利用ANSYS将混凝土数学模型在计算机上实现,建立混凝土三维随机骨料模型.对整个试样进行有限元网格划分,对骨料、砂浆和界面单元的材料号进行自动识别,并对各材料的力学参数进行试验研究及赋值. 2.通过上述方法,建立了混凝土圆柱体和梁试件三维数值模型,在建模和采集试验数据上,将裂纹形成与裂纹扩展两者同属于一个连续的疲劳失效过程.力图通过损伤力学的方法,把疲劳失效的两个阶段有机地结合在一起.利用损伤力学--有限元法进行数值模拟计算,并对.ANSYS软件进行二次开发.模拟了混凝土材料从裂纹的萌生,扩展,贯通直到宏观裂纹产生导致破坏的过程. 3.通过混凝土圆柱体CT试验,利用破损空间理论对细观结构裂纹萌生,扩展,贯通直到宏观裂纹产生进行了研究,以此来分析出在外力作用下混凝土材料的裂纹扩展过程.进而对混凝土材料的损伤断裂过程区进行研究并与试验结果进行对比分析. 本文通过对混凝土破坏过程的细观数值模拟,进而对混凝土材料裂纹的扩展、贯通、以及最后失稳破坏的破坏实质进行了有益的探索.

目录

文摘

英文文摘

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1绪论

1.1问题的提出

1.2混凝土材料破坏研究发展现状

1.2.1混凝土宏观断裂破坏模型

1.2.2混凝土的细观断裂破坏模型

1.2.3混凝土动强度的研究进展

1.2.4混凝土细观力学数值分析研究进展

1.3本文的主要工作

1.3.1研究的目的

1.3.2研究的内容

2混凝土断裂损伤破坏及细观模型研究

2.1混凝土的组成结构

2.2混凝土的破坏机理

2.2.1混凝土的强度

2.2.2混凝土受压应力-应变关系

2.2.3混凝土中裂纹的发展过程

2.3基于断裂力学的混凝土宏观模型

2.4基于损伤力学的混凝土破坏研究

2.5数字混凝土的三维细观力学研究

2.5.1细观理论研究

2.5.2混凝土材料的细观力学研究

2.6数字混凝土的研究现状

3数字混凝土模型及单元划分

3.1概述

3.2随机变量及其产生方法

3.2.1蒙特卡罗方法简介

3.2.2随机数及其产生

3.3三级配混凝土骨料颗粒数目计算

3.4混凝土骨料三维随机分布模型

3.5 ANSYS软件二次开发

3.5.1 ANSYS软件的二次开发

3.5.2新旧场量间的信息传递

3.5.3基于解析性质的等参有限元逆变换

4混凝土三维静力学性能细观数值模拟

4.1混凝土开裂及开裂模拟

4.1.1未开裂的混凝土中各材料应力-应变关系

4.1.2破坏准则

4.2混凝土梁抗弯破坏过程数值模拟

4.2.1混凝土梁试件细观模型建立

4.2.2数值模拟

4.2.3计算结果分析

4.3混凝土圆柱体试件单轴压缩破坏过程数值模拟

4.3.1数值模拟的材料参数与计算条件

4.3.2圆柱体试件受压数值模拟

4.3.3计算结果分析

5混凝土三维动力学性能细观数值模拟

5.1混凝土动态力学特性研究

5.2动荷载作用下混凝土材料破坏数值模拟分析

5.3混凝土梁三维动力学数值模拟

5.3.1混凝土梁受冲击荷载作用的三维数值模拟

5.3.2混凝土梁受正弦荷载作用的三维数值模拟

5.3.3混凝土梁受三角波荷载作用的三维数值模拟

6混凝土圆柱体试件数值模拟的CT试验验证

6.1裂纹研究

6.1.1单个裂纹研究与统计研究的关系和意义

6.1.2单个裂纹研究现状

6.1.3混凝土CT图像裂纹信息提取方法研究

6.2 CT图像量化处理新方法

6.2.1 CT技术原理及试验条件

6.2.2 CT图像量化处理的数学形态学基础

6.2.3裂纹定量化描述参数体系

6.2.4在混凝土CT图像裂纹描述中的应用

6.3数值模拟计算结果与CT试验结果对比分析

6.3.1数值模拟破坏图与CT试验图像比较

6.3.2数值计算与CT试验荷载-位移曲线比较

7结论与展望

7.1主要结论

7.2展望

致谢

参考文献

附录