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基于背景网格的混凝土细观力学预处理方法

水利学报 2011年第8期42卷 941-948页

作者：秦川郭长青张楚汉清华大学水利水电工程系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084

为提高混凝土细观力学预处理的效率与骨料投放含量,并适应不同体积、不同骨料含量混凝土的细观数值模拟要求,本文提出了一种新的预处理方法。该方法在骨料投放阶段,首先形成投放区域的背景网格以及对应网格点的状态矩阵,用以进行骨料的... 详细信息

为提高混凝土细观力学预处理的效率与骨料投放含量,并适应不同体积、不同骨料含量混凝土的细观数值模拟要求,本文提出了一种新的预处理方法。该方法在骨料投放阶段,首先形成投放区域的背景网格以及对应网格点的状态矩阵,用以进行骨料的投放定位以及骨料间相互侵入的判定,提高了投放的效率和骨料含量;其次,在细观有限元剖分阶段,利用已有的背景网格状态矩阵完成混凝土细观三相介质的坐标生成,简化了预处理过程。同时,采用分级配随机投放的方式,可保证投放的随机性以及级配分布的合理性。实例证明,该方法实现的二维投放骨料含量可达到80%,三维可达到60%,为细观混凝土数值模拟的预处理提供了一种有力的工具。

关键词：混凝土细观力学随机骨料模型背景网格骨料投放方法细观有限元筛分

基于Voronoi随机骨料模型的混凝土动态细观力学性能研究

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基于Voronoi随机骨料模型的混凝土动态细观力学性能研究

作者：刘昊栋太原理工大学

学位级别：硕士

混凝土是一种用途广泛的建筑材料,主要由骨料和砂浆两部分组成,作为典型的非均匀性材料,混凝土的宏观力学性能与其细观结构有关。对混凝土在细观层面力学性能的数值研究可以揭示许多物理实验无法观察到的现象,并解释其失效机理。作用在... 详细信息

混凝土是一种用途广泛的建筑材料,主要由骨料和砂浆两部分组成,作为典型的非均匀性材料,混凝土的宏观力学性能与其细观结构有关。对混凝土在细观层面力学性能的数值研究可以揭示许多物理实验无法观察到的现象,并解释其失效机理。作用在混凝土结构上的荷载一般是基本保持恒定的荷载,但是在特殊情况下,也会有动态荷载作用在混凝土结构上,如地震、冲击和爆炸等。在这些情况下,混凝土的动态性能对混凝土的破坏过程起着非常重要的作用。在动荷载作用下,混凝土的强度和变形与静载荷下混凝土的强度和变形明显不同。因此,对混凝土结构进行动态荷载作用下的细观力学性能研究是很有必要的。随着计算机技术的发展,越来越多的科研人员开始从细观角度对混凝土力学性能进行研究。本文建立了混凝土二维和三维Voronoi随机骨料模型,从细观角度对混凝土试件的动态单轴压缩和劈裂抗拉进行了有限元模拟,具体研究内容及结论如下:(1)Voronoi图形形状与混凝土骨料形状相似,都为不规则形状,因此用Voronoi图形来表示混凝土试件中的骨料。通过MATLAB编写APDL程序、ANSYS生成混凝土初始模型、LS-DYNA划分网格并进行有限元计算,对混凝土动态单轴压缩试验、动态劈裂抗拉试验进行了数值分析。(2)在动态压缩试验中,对相同骨料体积分数、不同骨料分布的混凝土试件进行分析,发现不同试件虽然裂缝形式不同,但动态压缩强度相差很小;对不同骨料体积分数的混凝土试件进行分析,结果表明,随着混凝土试件中骨料体积分数的增加,试件的动态压缩强度大幅度提高;对试件在1、0.1、0.01、0.001应变率下裂缝模式和力学性能进行分析,结果表明,当试件应变率为0.001时,试件内部产生少量的裂缝。随着应变率的增大,试件内部的裂缝数量明显增加,并弥散在整个混凝土试件中。随着试件应变率的增大,试件抗压强度也逐渐增大,显示出了明显的率效应。(3)在动态劈裂试验中,对素混凝土和单骨料混凝土的裂缝形式进行分析,数值模拟结果表明素混凝土模型的裂缝沿y轴产生,在单骨料模型中,由于骨料体不会破坏,所以裂缝会绕开骨料继续向试件下部传递,骨料体的尺寸和形状都对混凝土裂缝模式有影响;对试件在1、0.1、0.01、0.001应变率下裂缝模式和力学性能进行分析,计算结果表明,当试件应变率较低时,混凝土在垂直于加载方向上发生劈裂拉伸破坏,其微裂缝主要沿着骨料、砂浆交界面或砂浆内部薄弱环节产生和扩展,最后形成一条平行于加载方式的主干式贯穿性裂缝。当试件应变率较高时,微裂缝不仅沿着垂直的y轴向下延伸,而且在y轴两侧产生一些分叉。同时,随着试件应变率的增大,试件抗拉强度也逐渐增大,显示出了明显的率效应。

关键词：混凝土细观力学 Voronoi骨料模型动态单轴压缩动态劈裂抗拉应变率

基于细观结构的混凝土力学性能相关性的试验研究

同方学位论文库评论

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青海大学学报 2022年第1期40卷 83-90页

作者：寇西湖余红发吴成友青海大学土木工程学院青海西宁810016 青海省建筑节能材料与工程安全重点实验室青海西宁810016 南京航空航天大学土木与机场工程系江苏南京210016

为探究混凝土力学性能与混凝土细观力学各组成部分的力学性能之间的关系,通过设计不同强度的混凝土配合比,测试配套的混凝土、湿筛砂浆和粗骨料-砂浆界面试件的强度值。结果表明:从相关性系数来看,进行混凝土细观力学计算时,砂浆基体的... 详细信息

为探究混凝土力学性能与混凝土细观力学各组成部分的力学性能之间的关系,通过设计不同强度的混凝土配合比,测试配套的混凝土、湿筛砂浆和粗骨料-砂浆界面试件的强度值。结果表明:从相关性系数来看,进行混凝土细观力学计算时,砂浆基体的强度应该以抗压强度为计算依据。在质量配合比相同的条件下,混凝土抗压强度随制备混凝土时所用的粗骨料的强度的增加而增大。混凝土抗压强度随界面试件的黏结抗拉强度的增加而增大,当界面黏结抗拉强度由2.36 MPa增大至4.84 MPa时,混凝土抗压强度由32.5 MPa增大至77.7 MPa。在混凝土各组分中,砂浆抗压强度对混凝土抗压强度的影响最大,界面过渡区次之,粗骨料强度最小。若砂浆对混凝土强度的影响为1,则界面过渡区为0.288,粗骨料强度为0.148。

关键词：混凝土细观力学湿筛砂浆界面黏结抗拉强度相关性研究

随机骨料投放的分层摆放法及有限元坐标的生成

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清华大学学报（自然科学版） 2008年第12期48卷 2048-2052页

作者：唐欣薇张楚汉清华大学水利水电工程系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084

为了提高混凝土细观力学预处理过程中骨料投放效率,提出了一种随机骨料的投放方法。基于混凝土随机骨料生长方式,提出了骨料投放的"分层摆放法"。采用状态矩阵法的判别准则,判别空间中任意一点与骨料凸多边形/凸多面体的位置关系,实现... 详细信息

为了提高混凝土细观力学预处理过程中骨料投放效率,提出了一种随机骨料的投放方法。基于混凝土随机骨料生长方式,提出了骨料投放的"分层摆放法"。采用状态矩阵法的判别准则,判别空间中任意一点与骨料凸多边形/凸多面体的位置关系,实现了二维平面/三维空间有限元网格坐标的生成。结果表明,与现有方法相比,该方法可节省CPU时间,具有极高效率。这为实现大规模数值细观混凝土预处理,提供了有力的工具。

关键词：混凝土细观力学骨料投放状态矩阵法

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海工结构服役寿命及保护层开裂模式细观数值模拟

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材料科学与工程学报 2021年第5期39卷 776-782页

作者：陈宣东刘光焰刘恺德虞爱平黄达荣华桂林理工大学土木与建筑工程学院广西桂林541004 广西建筑新能源与节能重点实验室广西桂林541004 西京学院陕西省混凝土结构安全与耐久性重点实验室陕西西安710123 中冶建筑研究总院有限公司北京100088

通过在钢筋与混凝土交界面处施加时变边界位移建立非均匀锈蚀钢筋锈胀模型,其中混凝土损伤本构采用指数应力软化模型,时变边界位移采用Faraday定律对氯离子浓度积分计算得到。参数化分析保护层厚度、钢筋位置、钢筋直径等因素对服役寿... 详细信息

通过在钢筋与混凝土交界面处施加时变边界位移建立非均匀锈蚀钢筋锈胀模型,其中混凝土损伤本构采用指数应力软化模型,时变边界位移采用Faraday定律对氯离子浓度积分计算得到。参数化分析保护层厚度、钢筋位置、钢筋直径等因素对服役寿命及保护层开裂模式的影响。研究结果表明,服役寿命随保护层厚度增加而增长,而且增加幅度逐步增大,而钢筋直径变化对服役寿命影响较小,角部钢筋锈蚀则导致结构服役寿命缩短;中部钢筋的锈蚀使得保护层出现三条主裂缝,当保护层较小,保护层破坏模式为凸起式破坏,保护层较大时则将出现层裂;同时,角部钢筋锈蚀将在保护层内形成两条主裂纹,最终导致角部保护层脱落。

关键词：服役寿命混凝土细观力学钢筋锈蚀保护层开裂

基于质点平衡法的混凝土三点弯曲梁破坏过程模拟

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水电能源科学 2021年第3期39卷 120-123页

作者：魏勇熊勃勃卢晓春国网甘肃省电力公司经济技术研究院甘肃兰州730050 三峡大学水利与环境学院湖北宜昌443002

针对现有混凝土破坏过程模拟方法存在的不足,将质点平衡法应用于混凝土三点弯曲梁的开裂特性模拟。结果表明,结构自身的应力分布决定裂缝的分布区域,而混凝土内部各组分的力学性能直接决定裂缝细部扩展路径,质点平衡法适合模拟考虑细观... 详细信息

针对现有混凝土破坏过程模拟方法存在的不足,将质点平衡法应用于混凝土三点弯曲梁的开裂特性模拟。结果表明,结构自身的应力分布决定裂缝的分布区域,而混凝土内部各组分的力学性能直接决定裂缝细部扩展路径,质点平衡法适合模拟考虑细观结构的混凝土结构的开裂特性。研究成果可为混凝土细观力学特性的研究提供参考。

关键词：质点平衡法混凝土细观力学开裂特性混凝土三点弯曲梁

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混凝土动态破坏过程的细观数值方法研究

混凝土动态破坏过程的细观数值方法研究

作者：尹相振大连理工大学

学位级别：硕士

宏观层次上混凝土属于各向同性材料,但在细观层次上,可视为由粗骨料、砂浆以及二者界面组成的三相非均质复合材料。试验研究表明,混凝土是一种典型的率敏感材料,不同应变率水平下存在不同的强度增长机制。本文从混凝土细观结构出发,提... 详细信息

宏观层次上混凝土属于各向同性材料,但在细观层次上,可视为由粗骨料、砂浆以及二者界面组成的三相非均质复合材料。试验研究表明,混凝土是一种典型的率敏感材料,不同应变率水平下存在不同的强度增长机制。本文从混凝土细观结构出发,提出了适用于混凝土动态受力分析的细观刚体弹簧元（Rigid Body Spring Model,RBSM）方法。通过建立混凝土细观各相组成材料的粘弹粘塑性损伤本构模型,充分考虑Stefan效应在中低应变率水平下对混凝土力学性能的影响规律,模拟了混凝土的动态强度增长规律。具体的研究内容及结论如下：（1）从随机骨料模型的生成、细观刚体单元的划分、刚体弹簧元模型的建立、弹簧单元的本构模型等四个方面,系统总结了细观刚体弹簧元的理论框架;整理分析了现有主要的细观力学模型类型;简要评述了近几年国内外的研究进展和主要理论成果。（2）研究、评述了学术界对混凝土动态力学性能的理论分析,认为混凝土的率敏感性为材料的固有性质,主要由混凝土中自由水的粘性以及材料的惯性效应引起。建立考虑混凝土率敏感性的粘弹粘塑性损伤本构模型,应用细观刚体弹簧元方法模拟了混凝土材料的率效应及破坏形态,并确定了模型参数取值。（3）应用本文建立的粘弹粘塑性损伤本构模型,开展了10-5/s～10-1/s五个数量级的加载速率下混凝土试件的单轴抗拉、单轴抗压动态加载试验的数值模拟分析,并讨论了主要模型参数对混凝土动态力学性能的影响规律。数值计算结果表明,混凝土的单轴强度随应变率的增大而提高,且在单轴抗拉中表现更为显著。与现有的混凝土静、动态强度试验数据及数值模拟结果比较表明,该模型能够较好地反映混凝土强度随应变率的变化规律,较好地模拟了混凝土动态加载下的破坏形态。（4）采用细观刚体弹簧元方法,应用粘弹粘塑性损伤本构模型,模拟了混凝土试件的动态劈裂加载试验。本文以10-5/s-10-1/s五个数量级的加载速率模拟地震荷载作用下混凝土的劈裂强度随加载速率的影响规律,同时研究了不同试件尺寸、不同垫片宽度对混凝土动态劈裂强度的影响。数值模拟结果表明,混凝土的动态劈裂强度随应变率增加而提高,随试件尺寸增大而减小,随垫条宽度增大而增大。（5）建立的混凝土动态本构模型在单轴受力状态下显示出良好的模拟效果,数值结果证明,该模型对于双轴受力状态仍然适用。本文开展了四种不同恒定侧拉力作用时混凝土的动态双轴拉压数值模拟分析,数值结果表明：双轴拉压加载下混凝土的抗压强度随应变率的增大而提高,随侧拉力的增加而降低。分析了不同侧拉力下混凝土的破坏机理,认为随着侧拉力的不断增大,混凝土的破坏由受压破坏转为受拉破坏。

关键词：混凝土细观力学刚体弹簧元粘弹粘塑性本构模型 Stefan效应应变率动态破坏