基于matlab的混凝土三维圆形骨料模型随机投放方法

本文采用Matlab软件建立了混凝土骨料随机投放模型。自编函数绘制骨料形状。建立的骨料随机模型原理简单、思路清晰,结果满足随机性要求。最后分别使用混凝土算例进行验证,为进行混凝土有限元细观力学分析提供了数值结构模型。

基于块体切割法的随机骨料三维模型模拟——以四级配混凝土为例

混凝土细观力学特性的数值模拟效果,很大程度上取决于骨料模型的建立是否合理、高效。为此,以块体切割法为基础,将其推广至三维,生成了凸多面体骨料;然后根据骨料侵入判别准则,建立了四级配混凝土随机凸多面体骨料三维模型。结果表明,本方法能够建立随机凸多面体骨料三维模型,该模型可为研究混凝土细观力学特性打下良好的基础。

一种生成椭球形骨料的混凝土细观模型方法

为了在细观层次上对全级配混凝土进行数值模拟,进而从机理上认识其力学性能和宏观试验现象。针对随机分布的含有大量椭球形骨料的全级配混凝土给出了一种计算机模拟方法。结合MATLAB语言和COMSOL脚本编程实现了全级配混凝土三维细观几何模型和有限元模型的自动生成。提出了以三维数组划分投放区域和以代数条件为嵌入判别准则,有效地克服了椭球形随机骨料模型生成中的效率瓶颈问题。最后用实例说明算法的有效性。分析表明随机骨料投放含量能达到54%左右,能满足实际混凝土试件数值仿真的要求。

混凝土随机凸多面体骨料模型生成及细观有限元剖分

混凝土的级配及骨料含量对其宏观力学特性有直接的影响,适当的随机骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟分析的前提和基础。本文针对全级配大坝混凝土的高骨料含量的要求,给出了一种高效率生成随机球骨料模型的方法。并在随机球骨料模型的基础上,形成随机凸多面体骨料模型。同时,研究了细观单元属性判别方法,编制了对含有凸多面体骨料的细观区域进行结构性有限元网格剖分程序。本文给出的三维随机骨料模型算法不但考虑混凝土的骨料的实际级配和含量,而且计及了骨料的实际形态。

表征真实骨料形态的三维数值骨料建模

利用图像处理技术将骨料截面轮廓处理为二值图像,识别出各独立轮廓的形态特征后获取Hurst指数值的统计学规律,并使用改进的分形布朗运动(FBM)生成随机的数值骨料截面轮廓.使用该轮廓作为垂直于构建轴线的三维骨料上下两部分的连接面,基于改进的随机中点位移法,分别建立三维骨料的上曲面和下曲面并组装成完整的三维骨料模型.按相同纵长比生成的数值骨料与真实骨料具有相近的轮廓、扁平比和球度,且随机生成的数值骨料样本库与实测的真实骨料样本库具有类似的体积分布规律.按级配生成数值骨料并投放生成圆柱形沥青混凝土数值试件,相同工况下的仿真结果与单轴压缩蠕变试验数据的趋势吻合.

复合材料细观结构三维有限元网格模型的建立

提出了针对颗粒夹杂为椭球形状并呈随机分布的多相复合材料的三维有限元网格的建立方法,为复合材料细观结构研究提供了一种全自动的建模工具。引入了以体积为标度的任意两椭球骨料侵入的判别准则,实现了一种三维随机骨料的投放算法;在基于映射法的颗粒表面有限元网格生成算法中通过扫描线布点和局部连接技术较好地解决了网格极化现象;采用改进的三维AFT方法生成基体的四面体网格,并利用AFT特性一次生成所有颗粒夹杂的四面体网格;为进一步的复合材料细观结构与宏观力学性能的多尺度计算打下了基础。最后用几个算例验证了算法的有效性。

大坝混凝土三维细观力学数值模型研究

在细观结构层次上将大坝混凝土作为骨料、固化水泥砂浆及其粘结界面组成的复合材料,建立了大坝混凝土三维细观力学数值模型。该模型既能够反映混凝土及其细观各相材料在荷载作用下的损伤演化过程,又考虑了动载作用的应变率强化效应。给出了该数值模型求解方法,并编制出能够在普通PC机上运行的串行程序。加载过程既可按荷载控制又可按位移控制。同时,为了减少求解自由度应用了分尺度方法以使最小骨料和固化水泥砂浆混合后其力学性能与一种复合介质等效。通过混凝土湿筛和三级配试件的静、动(冲击)弯拉数值计算验证了本文计算方法和程序正确有效。另外,在串行程序的基础上,优化了刚度矩阵的存储方式,采用双门槛不完全Cholesky分解(ICT)预条件的共轭梯度法(CG),完成了能够在Sun Fire 6800服务器实现并行计算的并行程序改造,从而大大提高了计算效率。

粗骨料颗粒堆积简化计算模型的研究

提出了一种粗骨料颗粒堆积简化计算模型。此模型将粗骨料颗粒特征化为椭圆形颗粒,利用定量体视学原理采集粗骨料颗粒的形状特征参数,建立了骨料颗粒的堆积法则,设计了可以快速计算其堆积密度的计算方法,得到了粗骨料实际堆积密度PR与虚拟堆积密度PV的修正公式PR=0.896PV+8.697。经验证,修正后的虚拟堆积密度与实际堆积密度的平均相对误差仅为0.32%,准确度较高。可利用此模型计算出的骨料堆积空隙率,进行混凝土配合比设计。

基于多场耦合模型的混凝土冻融三维细观研究

基于蒙特-卡洛理论和工程粗骨料粒径分布情况,将骨料形状简化为球形,应用Matlab与Comsol Multiphysics接口进行二次开发,以生成区分骨料、界面过渡区(ITZ)和砂浆的混凝土三相三维细观模型.采用改进的热-水-力耦合模型,将耦合模型与物理试验进行验证分析,结果吻合较好.将该耦合模型应用于研究冻融作用下混凝土三维细观尺度的性能演化规律.研究结果表明,当渗透率较高时,试件整体第一主应力急剧减小,且出现骨料受压而砂浆受拉的情况;当骨料体积分数增大时,试件应力整体呈现下降趋势.砂浆渗透率和骨料体积分数对混凝土抗冻融性能的影响较大.不同的ITZ线膨胀系数下混凝土应力变化不大,说明ITZ线膨胀系数对混凝土抗冻融性能的影响相对较小.

大坝混凝土试件三维细观力学并行计算研究

基于混凝土材料基本特性及其有关试验研究结果,给出了混凝土材料的损伤演化关系、及其抗拉强度和弹性模量的应变率强化定律,建立了既考虑细观损伤弱化又计及应变率强化效应的混凝土非线性有限元静动力学虚功方程。根据FEPG有限元语言的规则,编写了混凝土试件细观静、动力学方程的描述文件及位移、应力场的算法文件,并基于PFEPG软件平台开发了混凝土试件的三维细观数值并行计算程序。利用三维随机骨料随机参数模型对混凝土试件弯折损伤破坏过程进行了细观数值模拟。其计算结果与试验结果相吻合,显示了该算法及所编并行程序的有效性。

利用三维随机模型分析沥青混合料的蠕变行为

将沥青混合料看作由粗骨料和沥青砂组成的两相复合材料,根据给定的级配生成凸多面体骨料,然后利用随机投放算法建立沥青混合料试样的三维随机模型.采用广义Maxwell模型刻画沥青砂的本构行为,其参数通过单轴蠕变实验获得.在对三维随机模型的有效性进行验证之后,采用参数化建模方法建立包含不同骨料分布、含量和级配的沥青混合料有限元模型,通过数值模拟研究骨料分布、含量和级配对沥青混合料蠕变行为的影响.结果表明:骨料分布对沥青混合料力学性质的影响较小;沥青混合料瞬时弹性模量随骨料含量的增加呈近似线性增大,而且弹性模量与骨料含量之间的关系曲线处于Paul上下边界内;在计算考虑的粒径范围内,骨料平均粒径越小,沥青混合料抵抗变形的能力越强.

基于细观尺度的混凝土热膨胀性能研究

用细观力学方法对混凝土有效热膨胀系数和温度应力进行研究,提出了有效热膨胀系数理论公式.同时假定混凝土为骨料和砂浆组成的两相复合材料,用代表性体积单元(RVE)建立混凝土三维随机椭球形骨料模型,并对此模型进行有效热膨胀系数和温度应力的数值计算.将所提出的有效热膨胀系数理论公式、其他经典理论公式与数值计算结果对比后发现:对于混凝土有效热膨胀系数的预测,所提出的混凝土有效热膨胀系数理论公式预测精度最高,自洽法次之,而稀疏解法精度较低且只适用于骨料体积分数较小的情况.提出的理论解与数值计算结果吻合较好,其误差随骨料体积分数的增大而增大;当骨料与砂浆的弹模比小于1时,理论解小于数值计算结果,当弹模比大于1时,理论解大于数值计算结果.

混凝土细观损伤破坏过程的数值模拟

在细观层次上,把混凝土看作是由水泥砂浆、骨料及二者之间的界面组成的复合材料,应用渐变网格剖分方法对随机投放的骨料、界面和水泥砂浆进行网格剖分,删除多余节点,重新排列节点顺序,生成三维随机骨料分布的细观有限元数值模型.利用该模型分别进行了混凝土的单轴拉伸、压缩、劈拉和梁弯曲等数值试验,分析了不同界面参数、不同砂浆损伤参数、不同加载形式对混凝土试件的变形特点、破坏形式以及承载能力的影响,探讨了混凝土宏观力学性能(如应变软化和剪胀等性质)的细观机制.

基于渐变网格剖分方法的混凝土细观数值模拟

在细观层次上,把混凝土看作是由水泥砂浆、骨料及二者之间的界面组成的复合材料,通过渐变网格剖分的方法先后对随机投放的骨料、界面和水泥砂浆进行网格剖分,删除多余节点,重新排列节点顺序,建成三维随机骨料分布的细观有限元数值模型.用细观有限元模型分别进行混凝土的单轴拉伸和不同围压下的假三轴数值试验,分析不同加载形式对混凝土试件破坏形式以及承载能力的影响.