ECC拉伸应变硬化与多缝开裂行为的数值仿真模拟

作     者：陈明糠 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孟少平;吴畅;崔天霞

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：工程水泥基复合材料 纤维桥接作用模型 拉伸应变硬化 多缝开裂 

摘      要：工程水泥基复合材料（Engineered cementitious composites,ECC）是具有受拉应变硬化特征和优异的裂缝控制能力的纤维增强水泥基复合材料,作为一种纤维增强复合材料,ECC材料的力学性能与纤维、基体和纤维/基体界面之间的力学相互作用密切相关,而通过细观力学理论建立从单根纤维到单一裂缝面,再到复合材料的多尺度模型,可以实现不同尺度下的ECC材料力学性能的量化,进而指导ECC材料的设计。本文通过两种纤维桥接模型（一种忽略纤维弯曲作用,一种考虑纤维弯曲作用）,对ECC单轴拉伸应变硬化和多缝开裂行为进行了数值仿真模拟以及理论分析,并分别从单根纤维拔出、单一裂缝面桥接模型、ECC拉伸性能数值模拟以及模型应用方面展开了系统的研究,取得如下成果:（1）分别介绍了模拟单根纤维拔出行为的摩擦滑轮模型（不考虑纤维的弯曲作用）和等效地基梁模型（考虑纤维的弯曲作用）。基于ANSYS平面应变分析模型计算不同纤维-基体刚度比情况下纤维受横向荷载作用时的力-位移响应,通过参数分析和拟合,提出确定等效连续梁弹簧约束刚度的显式计算方法,建立了改进的考虑纤维弯曲作用的等效地基梁模型。（2）基于等效地基梁模型推导了纤维拔出过程中拔出段的轴向作用力和横向作用力,建立了考虑纤维弯曲作用的单根纤维拔出模型,并通过MATLAB编写了计算纤维拔出力-拔出位移关系的程序。为了验证模型的正确性,建立了基于库伦摩擦模型的单根纤维拔出有限元分析模型,结果表明:等效地基梁模型与摩擦滑轮模型相比,在裂缝开口宽度比较小时,与有限元结果更加吻合。（3）分别基于模拟单根纤维拔出的摩擦滑轮模型和等效地基梁模型,考虑纤维双向拔出和随机分布的平均化处理,建立了两种单缝纤维桥接模型,并对两种模型进行了比较和分析。结果表明:等效弹性地基梁模型得到的单缝峰值桥接应力和其对应的裂缝开口宽度均大于摩擦滑轮模型,说明纤维弯曲作用对纤维的桥接作用具有显著的影响。（4）基于单缝纤维桥接模型,建立两种模拟ECC拉伸应变硬化与多缝开裂行为的离散裂缝随机分布数值模型,通过与PE-ECC和PVA-ECC标准试件单轴拉伸试验得到的应力-应变曲线进行对比分析发现:考虑纤维弯曲作用的等效地基梁模型计算的ECC极限抗拉强度和极限拉应变均较高;对于使用更高弹模的PE纤维的ECC,基于等效地基梁模型的计算结果与试验结果更加吻合,而对于PVA-ECC,基于忽略纤维弯曲作用的摩擦滑轮模型的计算结果则与试验结果更加吻合。（5）推导了试件宽度和厚度对纤维分布影响的概率分布模型,并运用到上述两种纤维桥接模型,模拟不同宽度/厚度ECC试件的拉伸性能。通过不同尺寸的ECC试件单轴拉伸试验,对模型的正确性进行了验证。结果表明:试件的宽度和厚度在一定范围内会显著提高其极限抗拉强度和极限拉应变,但当试件宽度W≥30mm时,试件宽度对ECC拉伸性能的影响很小;当试件厚度减小时纤维趋近2D分布,而当试件厚度增大时纤维趋近于3D分布,此时ECC极限抗拉强度和极限延伸率减小。通过模型分析,提出了考虑试件尺寸的应力-应变折减系数,将折减的本构模型运用于有限元模拟,对一组四点弯曲试验梁进行分析,发现采用折减受拉应力应变关系得到的有限元分析结果与试验结果更加吻合。