基于随机骨料模型的EPS颗粒混凝土蒸养损伤及微观分析

为研究掺入废弃塑料对缓解混凝土蒸汽引起的热损伤机理,开展了不同聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)颗粒掺量混凝土的抗压强度试验,建立了考虑界面过渡区效应的随机骨料模型,模拟了蒸养环境下混凝土内部的热应力分布,并通过压汞试验和扫描电子显微镜照片揭示了EPS颗粒掺入对蒸养试件孔结构特征和微观演化规律的影响。结果表明,随EPS颗粒掺量的增加,蒸养试件强度略有升高,EPS颗粒掺入有利于蒸养混凝土后期强度的发展;蒸养引起的热应力得到显著缓解,微裂缝和贯通裂缝数量降低,有效抑制蒸养引起的热损伤;掺入EPS颗粒细化了蒸养混凝土孔结构,缩小了EPS颗粒⁃水泥基体界面的裂隙宽度。

基于随机骨料的混凝土边界效应影响研究

为了研究混凝土构件内的骨料边界效应,分别采用图像识别技术和随机骨料建模技术分析了真实的骨料分布、形状、长径比、粒径及表面棱角数量等因素对骨料密度分布曲线及边界效应的影响规律。研究结果表明:骨料密度分布曲线呈现先上升、随后下降、最终趋于稳定或略有震荡的规律,且不受骨料几何形态影响,稳定时对应的密度分数略高于平均骨料密度分数;骨料密度曲线峰值厚度约为骨料最小粒径,边界效应层厚度约为骨料平均粒径,且这二者均随着骨料粒径及长径比的增加逐渐增大;在骨料的几何形态特征因素中,骨料粒径对密度分布曲线、峰值厚度及效应层厚度影响较为显著,影响程度强于其他的几何形态特征。

基于随机骨料的混凝土构件损伤模拟

基于模拟混凝土骨料随机分布这一特征,本文提出一种基于球形骨料的随机骨料投放算法和干涉判断算法,利用该算法生成混凝土三维随机骨料模型,并给出混凝土构件的非线性分析。具体实施步骤包括:设计球形骨料的投放算法和干涉判断算法,使用Python编程生成混凝土三维随机骨料模型,将随机骨料模型导入ABAQUS进行损伤分析。结果分析表明:所设计的随机骨料模型满足随机性要求,投放算法简明适用,能够控制不同粒径骨料的投放比例,并实现了基于Python对ABAQUS的二次开发,提高了随机骨料的投放效率,同时使得混凝土构件更具通用性。该随机骨料模型的网格划分满足有限元分析的需要,为混凝土结构构件的非线性分析提供了一种新的方法。

基于改进的随机骨料投放的沥青混合料断裂特性研究

本文旨在探讨随机骨料投放的沥青混合料对断裂特性的影响,通过改进随机骨料投放从而增加抗裂性。首先,分析了过去随机骨料生成和投放算法与改进的随机骨料投放算法。其次,深入解析了沥青混合料的制备与实验方法。接着,写了当前随机骨料投放的沥青混合料断裂特性所面临的实验模拟一致性难题,精度与效率的平衡挑战,材料多样性与复杂性,环境因素耦合性影响的问题。最后根据这些问题提出了高精度骨料几何建模技术,多尺度数值模拟方法,验证与优化随机投放算法等应对方法。

大体积混凝土随机骨料数值模拟

在细观力学基础上将混凝土考虑为粗骨料、砂浆及它们之间的黏结层组成的三相复合材料.针对大坝等大体积全级配或三级配混凝土,骨料含量比较高(60%～70%)的特点,提出了一种新的高效投放算法,通过一次性随机投放形成同种骨料的所有三角形基骨料,然后在此基础上随机延凸,生成任意形状的随机骨料.与通常的圆形骨料只有2个随机数相比,该生成算法中每个骨料一般需要7个以上随机数,同时该方法的生成效率和骨料含量明显高于其他多边形骨料的生成算法.采用大型通用有限元软件MARC对东江拱坝三级配混凝土试件的单向轴拉破坏过程进行了全过程数值模拟,数值模拟计算结果与试验结果接近.

混凝土二维随机骨料的数值模拟

通过对现有混凝土二维随机骨料生成算法的分析总结,引入一种新的算法,编写二维骨料生成程序,对圆形、椭圆形以及基于圆和椭圆的内接凸多边形三种剖面形状的混凝土二维随机骨料进行数值模拟,并进行网格划分。提出在从圆周上取点生成的圆基凸多边形基础上,从椭圆周上取点生成椭圆基凸多边形,并且引入"交线法"(Intersect Line)对凸多边形进行干涉判断。最后通过几个算例对此方法进行验证。模拟的结果表明:此方法简单、快捷、高效,并可利用先进的有限元软件对混凝土宏、细观力学性能作进一步的数值研究。

基于随机骨料数学模型的混凝土弹性模量预测

按照混凝土试件的实际配比计算出各粒径区间的骨料体积含量,对骨料颗粒进行随机投放,生成随机骨料的数值模型。对不同形状骨料的随机骨料模型建立的体积表征单元(RVE)施加均匀位移边界条件,通过有限元方法计算该RVE中的应力和应变场,然后由细观力学数值均匀化方法预测RVE的有效弹性模量。数值计算结果和试验值的对比表明,基于随机骨料模型的混凝土弹性模量的预测是有效的,骨料含量为40%和60%时预测值与试验值相近;由多边形骨料模型得到的弹性模量略高于圆形骨料,骨料的空间分布对于预测结果的影响甚微。假定材料的细观单元力学性质服从Weibull分布时,预测的有效弹性模量结果偏低,且随均质度的减小而减小。

混凝土细观随机骨料结构与有限元网格剖分

在细观层次上,混凝土被认为是一种由粗骨料、水泥砂浆及二者间的粘结带所组成三相非均质复合材料。本文首先基于蒙特卡罗随机抽样原理,用“取和放”方法在计算机上产生形状、尺寸和骨料颗粒分布与真实混凝土相似的随机骨料结构,再使用有限元分析软件AN SY S对骨料区域及砂浆区域分别划分网格,并编程在骨料和砂浆之间生成三角形三结点可控制厚度粘结单元,从而使三相网格缝合为一个整体,为混凝土非线性有限元分析提供可靠的细观计算模型。最后利用建立的模型进行混凝土轴心受拉和轴心受压的仿真模拟,在细观层次研究的基础上揭示出混凝土的宏观力学性能。

混凝土随机骨料模型尺寸效应的细观数值分析

为研究混凝土材料细观不均匀性对试件的静力学性能的影响,采用不同的随机数组,通过固定骨料尺寸,改变试件尺寸的方法,建立了不同的混凝土三维数值模型,都分6步施加相同的均布载荷,来模拟骨料和混凝土试件尺寸比例变化对试件力学性能的影响,研究了骨料随机位置对混凝土试件的应变影响。计算表明,当骨料半径和试件半径的比例系数逐渐增大时,应变误差平方和减小;骨料随机位置对混凝土试件的应变影响逐渐减小,试件的脆性越明显。

基于混凝土三维球形随机骨料模型的氯离子扩散细观数值模拟

当前对于海洋环境下混凝土结构中氯离子的扩散问题的数值模拟研究大多停留在宏观层面,没有考虑混凝土细观结构的影响。针对这一问题,建立了混凝土三维球形随机骨料细观模型,并基于该模型提出了混凝土中氯离子扩散细观数值模拟方法。混凝土三维球形随机骨料模型以随机过程理论为依据,考虑了骨料粒径大小和位置分布的随机性,更接近实际情况;基于该模型的氯离子扩散细观数值模拟方法能够从细观层面反应混凝土中氯离子扩散规律,可以作为混凝土中氯离子扩散研究的重要手段。在此基础上研究了混凝土细观结构对氯离子扩散的影响,结果表明:界面过渡区厚度和扩散系数越大时,经扩散进入混凝土中的总体氯离子含量越多,但混凝土浅层区域内的氯离子含量越少;随着粗骨料体积分数的增加,混凝土中相同深度处的氯离子浓度降低。

基于随机骨料模型的EPS混凝土细观力学特性分析

利用有限元分析软件,建立基于随机分布的EPS混凝土细观力学模型。对EPS混凝土的受压损伤破坏过程进行数值模拟,分析EPS颗粒面积占有率、排列方式、形状对EPS混凝土力学性能的影响。结果表明:当EPS颗粒面积占有率较小时,EPS混凝土的破坏表现出明显的脆性破坏,随面积占有率的增加,EPS混凝土破坏逐渐由脆性破坏转化为延性破坏;EPS颗粒含量较低时,规则分布与随机分布对混凝土应力-应变关系影响较小;随着EPS颗粒面积占有率的增加,规则分布较随机分布具有更大残余应力;相同面积占有率下,规则分布较随机分布脆性指数更小,规则分布表现出更好的延性;当EPS颗粒形状为三角形时,EPS混凝土应力最大延性最好,正方形时应力最小延性最差,形状为圆形和五角形时,EPS混凝土应力-应变关系与脆性指数相接近。

混凝土细观层次损伤数值模拟——随机骨料结构的生成

目的在细观层次上对混凝土进行数值模拟,进而对混凝土的力学性能分析.方法应用蒙特卡罗方法,使用C++语言编程开发二维三相混凝土随机骨料结构(RAS)模型.结果提出了避免产生不合常规骨料颗粒的控制措施,引入向量理论分析并去除凹点,弥补了现有方法中确定骨料多边形延伸率的缺陷;并在Visual C++上模拟实现、生成了具有概率和统计意义的RAS.最后,通过一个数值算例验证了所提方法的有效性.结论笔者提出的RAS产生方法为进一步开发混凝土细观有限元模型打下了坚实的基础.

基于细观层次的混凝土随机骨料建模

在细观层次上,将混凝土视为由骨料、砂浆和二者之间的界面层构成的三相复合材料,而界面层是混凝土的最薄弱环节,也是混凝土抗拉强度低的主要原因。基于MATLAB软件生成圆形、多边形和椭圆形3种随机骨料模型,并生成一定厚度的骨料界面层,结合有限元软件ABAQUS划分界面层单元,建立二维混凝土细观数值模型。通过算例表明:骨料投放算法简单,模型真实可靠。通过引入界面层并对其进行网格剖分,对多边形骨料模型进行单轴拉伸试验,得到的应力-应变曲线基本符合宏观混凝土单轴拉伸试验结果,为后续研究混凝土的损伤断裂机理提供了数值模拟基础,并且有效地解决了MATLAB,AUTOCAD和有限元软件之间的接口问题。数字模拟生成的多边形骨料分布情况占有率与真实骨料最接近,可用作混凝土的损伤断裂机理分析。

基于随机骨料模型的混凝土弹性模量预测研究

为确定混凝土的弹性模量,基于细观层次假定混凝土是由骨料、砂浆和两者之间的粘结界面组成的三相复合材料,借助蒙特卡罗方法和瓦拉文公式,在二维平面上建立了随机骨料模型。通过有限元法预测混凝土的弹性模量,并将数值计算结果与试验结果进行比较,验证了该细观有限元模型的有效性。在此基础上研究了混凝土各细观组成成分的弹性模量、骨料体积率、骨料最大粒径、骨料级配、界面厚度以及孔隙等因素对混凝土弹性模量的影响规律。结果表明:在混凝土的各细观组成成分中,砂浆弹性模量对混凝土弹性模量的影响最大;连续级配的混凝土弹性模量在相同条件下大于间断级配的混凝土;孔隙的存在以及界面层厚度的增大均会使混凝土的弹性模量减小。研究结果为混凝土配合比的设计及力学性能的优化提供参考。

基于随机骨料模型混凝土动态性能数值模拟

将混凝土看作水泥砂浆与粗骨料组成的非均质复合材料。编写二级配圆形骨料混凝土随机投放程序对混凝土动态破坏过程进行数值模拟,分析粗骨料颗粒中间粒径和最大粒径对二级配混凝土动态特性的影响。数值模拟结果表明:随着粗骨料颗粒中间粒径的增加,混凝土在动荷载作用下峰值应力先增大,然后逐渐减小,粗骨料颗粒中间粒径为15mm时,峰值应力达到最大;随着二级配混凝土粗骨料颗粒粒径最大值的增加,混凝土在动荷载下峰值应力逐渐减小。

基于随机骨料模型的再生混凝土单轴压缩数值模拟

采用计算机语言MATLAB自编基于塑性损伤本构关系的再生混凝土随机骨料程序,利用大型软件ABAQUS建立再生混凝土双界面细观结构计算模型,对模型的抗压性能、应变峰值、应力分布、损伤状态等关键性能进行了系统的计算分析,研究了不同界面砂浆强度、厚度等因素对再生混凝土关键性能的影响。结果表明:单轴压缩荷载作用下再生混凝土的内外界面区域出现损伤破坏,其原因是该区域存在拉应力集中和剪应力集中;在较弱的界面区最先出现损伤,之后损伤逐渐向砂浆区域扩展;新老砂浆的强度对再生混凝土抗压性能的影响显著;老硬化砂浆在一定程度上弱化了再生混凝土的性能。

刚性弹正侵彻随机骨料混凝土靶的弹道偏转规律分析

针对弹体可能受到非对称力作用从而发生弹道偏转的问题,对刚性弹正侵彻随机骨料混凝土靶的弹道偏转规律进行分析。采用混泥土细观模型,运用LS-DYNA显式动力计算软件,对刚性弹正侵彻随机骨料混凝土靶进行数值模拟。以弹体偏转角度为指标,重点考虑混凝土靶的骨料/砂浆强度、弹体侵彻速度等因素,讨论其对弹体正侵彻条件下弹道偏转的影响规律。结果表明:根据混凝土的材料特性,可认为砂浆和骨料共同对正侵彻弹体提供轴向阻力,而随机非均匀的骨料作用力与砂浆阻力之差则提供导致其偏转的侧向力;弹道偏转角度随混凝土砂浆强度减小而增大,相反地,随骨料强度增加而增大;当名义抗压强度较小时,弹体偏转对砂浆强度变化的敏感度显著大于骨料强度变化的影响;在刚性弹假设下,弹道随着弹体侵彻速度增加而更加稳定,即偏转角随着靶速度增加而减小;但若弹体非刚性假设,越高速度侵彻,越容易变形破坏,则越容易偏转且容易出现"J"弹道。

混凝土随机骨料模型可视化方法

在生成三维随机球形骨料模型的基础上,研究了形成随机凸多面体骨料模型的方法,并利用FORTRAN语言编制凸多面体骨料生成程序和细观有限元网格剖分程序。为了实现骨料模型和其细观有限元网络的可视化,着重研究了利用现有商业软件生成多面体随机骨料的可视化混合编程的方法。利用面向对象的VB语言界面编程技术,编写了实现WINDOWS视窗环境的VB程序,并在该环境下调用生成骨料模型的FORTRANN计算程序和Matlab骨料模型图形绘制程序。另外,还研究了细观有限元剖分数据在GID软件实现网格可视化的格式和方法。

混凝土随机骨料结构在非线性有限元分析中的应用

在细观层次上,混凝土被认为是由粗骨料、砂浆以及它们之间的黏结带组成的三相非均质复合材料,这种复合材料的性质可通过混凝土细观随机骨料结构来模拟。提出一种适合于细观研究的非线性有限单元法,采用结合抗拉强度和开裂韧性的综合破坏准则,允许裂缝扩展时缝尖单元进行应力重分布,并用控制位移增量迭代法揭示混凝土峰值后的软化行为。随后用这一方法仿真模拟混凝土在单轴受拉和单轴受压时的整个加载过程,在细观层次研究的基础上揭示了混凝土的宏观性能。

含界面随机骨料三相增强复合材料的模型构建与有效力学性能预测

利用AUTOCAD绘制不同粒径的骨料随机分布于脆性基体的几何模型,导入ANSYS系统进行网格划分,建立有限元计算的特征体积单元;运用均匀化理论,计算了由随机骨料、基体和黏结层组成的三相复合材料的等效弹性模量,分析了随机颗粒的形状、粒径大小、分布特征、弹性模量以及基体弹性模量等的变化对复合材料力学性能的影响。该方法能够快速方便地建立复杂的几何模型并较真实地反映骨料的实际分布特征,较精确预测复合材料的有效力学性能。