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计算力学学报 2022年第5期39卷 566-573页

作者：吴宇航肖映雄徐亚飞湘潭大学土木工程与力学学院湘潭411105

混凝土在细观层次上是由粗骨料、砂浆及两者间过渡区(界面层)组成的三相复合材料,建立一个能反映实际骨料级配、含量及形态的随机骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟的前提。本文通过编写Python脚本实现了Abaqus的二次开发,获得了含... 详细信息

混凝土在细观层次上是由粗骨料、砂浆及两者间过渡区(界面层)组成的三相复合材料,建立一个能反映实际骨料级配、含量及形态的随机骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟的前提。本文通过编写Python脚本实现了Abaqus的二次开发,获得了含球形、椭球形(卵石)及凹凸型多面体(碎石)骨料并考虑了界面层的三维混凝土细观随机模型。结果表明,在三级配下可投放球形骨料的体分比可超过55%,对椭球和多面体骨料形状的模拟也较为真实。同时,提出了一种可提高骨料体积含量的布尔切割入侵判别法,并成功地对椭球骨料和多面体骨料进行了投放试验。由于程序已将粗骨料、砂浆和界面层自动分离,在进行网格剖分时可避免复杂的单元属性判别,得到的网格剖分满足粗骨料、砂浆及界面层网格协调性要求。最后,利用建立的几何模型进行了单轴压缩静力学数值模拟,进一步验证了混凝土细观随机模型的可靠性。

关键词：细观随机模型 Python脚本二次开发网格剖分数值模拟

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基于Python-ABAQUS的三维随机骨料模型的参数化建模与数值模拟

基于Python-ABAQUS的三维随机骨料模型的参数化建模与数值模拟

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作者：吴宇航湘潭大学

学位级别：硕士

混凝土作为典型的非线性、非均质材料,其在细观上可以看做由骨料、砂浆及两者间过渡区三部分组合而成的复合材料,且各相材料具有不同的力学、物理特性,其中骨料的体积分数、形状、空间分布和取向及界面层对其宏观性能影响很大。由于骨... 详细信息

混凝土作为典型的非线性、非均质材料,其在细观上可以看做由骨料、砂浆及两者间过渡区三部分组合而成的复合材料,且各相材料具有不同的力学、物理特性,其中骨料的体积分数、形状、空间分布和取向及界面层对其宏观性能影响很大。由于骨料形态的复杂性和空间分布的随机性,实验室研究只能从宏观上给出直观的试验结果,而无法从混凝土结构内部去挖掘其中的损伤破坏起因。为了能深入理解混凝土材料的力学特性,采用数值模拟方法来代替传统试验方法,从细观出发,解释宏观现象,被越来越多的学者专家所接受。细观数值模拟的第一步,就是建立混凝土随机骨料模型。混凝土三维细观建模的相关研究不少,但缺点和困难依然很明显,研究人员或困于建模程序的复杂性,或困于软件功能的局限性,往往需要熟练运用多个软件,并配合使用,从而阻碍了众多学者的研究兴趣。ABAQUS软件的出现,为混凝土数值模拟带来了便利。本文,首先基于Python-ABAQUS二次开发和参数化建模,提出了球形-椭球一体化生成算法以及通过顶点波动生成随机凹凸型多面体算法,结果表明,在连续级配下可投放球形骨料的体分比均可超过55%,对椭球和多面体骨料形状的模拟也较为真实。同时,提出了一种可提高骨料体积含量的“布尔切割入侵判别法”,分别对椭球骨料和多面体骨料进行了二级配、三级配、四级配的投放试验,投放成功后的混凝土细观模型可以做到骨料、界面层、基体之间相互独立,这样大大方便了后续工作中为其赋予材料属性与分配截面以及网格剖分和加载,所得到的网格剖分结果满足骨料、砂浆及界面层网格协调性要求。通过丰富的内置方法与函数,可以分别完成对球形、椭球型、凹凸型多面体骨料模型从几何建模到网格剖分的自动化程序设计,极大地提高了混凝土细观研究的工作效率。然后,基于ABAQUS平台及其内置的塑性损伤本构模型,分别对椭球骨料模型和多面体骨料模型进行静力学、动力学等非线性数值模拟,进一步验证所提出的三维混凝土细观模型生成算法的有效性。最后,根据模拟结果对混凝土材料的力学性能等做出分析、评估。

关键词：细观随机模型参数化建模 Python脚本二次开发网格剖分非线性数值模拟

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土石混合体细观结构模型及自适应有限元分析与应用研究

土石混合体细观结构模型及自适应有限元分析与应用研究

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作者：余科湘潭大学

学位级别：硕士

对于土石混合体这种两相复合材料,其力学性质取决于土体与块石体的力学性能以及相互接触关系,建立一个符合实际自然状况(块石位置、形状和大小均随机)的细观模型是进行土石混合体细观力学数值模拟的前提和基础。有限元方法是进行土石混... 详细信息

对于土石混合体这种两相复合材料,其力学性质取决于土体与块石体的力学性能以及相互接触关系,建立一个符合实际自然状况(块石位置、形状和大小均随机)的细观模型是进行土石混合体细观力学数值模拟的前提和基础。有限元方法是进行土石混合体细观数值模拟最为有效地方法之一。在选取了合适单元类型后,需要根据问题的特点和计算精度设置网格的疏密。对土石混合体进行有限元分析计算中,块石的尖角区域存在应力集中,土体在进行数值模拟时也会出现应力集中现象。为此,需要采用自适应网格技术,以避免加密网格时的盲目性。为了更好地捕捉塑性区大的塑性应变,提高塑性区的计算精度,也需要采用自适应网格技术。本论文主要围绕土石混合体二维细观随机模型的建立、自适应有限元分析与应用等方面展开研究,主要内容和结论如下:(1)利用计算机图形学中的“布尔交运算”进行块石的相交判别,它既可避免传统方法在多边形块石相交判别时的复杂数学运算,也解决了不规则曲多边形块石相交判别的难点,并且提高细观结构模型中块石的含量,其实现方法简单、高效,较大地提高了建模效率。通过编写PYTHON脚本对ABAQUS进行二次开发,建立了比较符合实际自然状况下的二维土石混合体细观模型。(2)采用基于后验误差估计的自适应网格重划分算法,并结合ABAQUS二次开发,编写了相应的弹塑性自适应有限元PYTHON脚本,实现了土石混合体细观数值模拟的自适应求解全过程,并将几何模型建立方法与基于网格重划分算法的自适应有限元方法应用于几类典型的土石混合体细观数值模拟,从而验证了土石混合体细观随机模型的可靠性与自适应有限元方法的有效性和适应性。(3)利用上述算法生成相应的土石混合体边坡,并利用自适应有限元算法结合强度折减法,对该土石混合体边坡模型进行稳定性分析。通过对比初始网格下与经过自适应划分后的网格下的得到的塑性贯通区以及相应的塑性变形,得出自适应有限元计算在边坡稳定性分析中,计算精度更准确,能更好的得到边坡的滑裂面形状以及位置。

关键词：土石混合体细观随机模型应力集中等效塑性应变自适应网格重划分数值模拟

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土石混合体细观数值模拟的弹塑性自适应有限元分析

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应用力学学报 2023年

作者：余科肖映雄徐亚飞湘潭大学机械工程与力学学院

在土石混合体的细观弹塑性有限元分析中，为了能有效克服不规则块石附近的应力集中以及更好地捕捉塑性区大的塑性应变、提高塑性区的计算精度，需要采用自适应网格技术，以避免加密网格时的盲目性。本文，采用基于后验误差估计的自适应... 详细信息

在土石混合体的细观弹塑性有限元分析中，为了能有效克服不规则块石附近的应力集中以及更好地捕捉塑性区大的塑性应变、提高塑性区的计算精度，需要采用自适应网格技术，以避免加密网格时的盲目性。本文，采用基于后验误差估计的自适应网格重划分算法，并结合Abaqus二次开发，编写了相应的弹塑性自适应有限元Python脚本，实现了土石混合体细观数值模拟的自适应求解全过程。通过将Python脚本应用于几类典型的二维土石混合体细观结构模型的数值模拟，验证了基于网格重划分算法的自适应有限元方法在克服应力集中及更好捕捉塑性区大的塑性应变、提高塑性区计算精度上的有效性和适应性。

关键词：细观随机模型自适应网格重划分等效塑性应变应力集中数值模拟

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