基于格构模型理论的单纤维拉拔试验建模及仿真

水泥基材料的单纤维拉拔试验对测试仪器要求较高,试验操作难度大,很多实验室不具备测试能力。针对该问题,采用格构模型理论建立模型,基于分段步进式方法,对单纤维拔出过程进行数值仿真,得到纤维拉拔荷载-位移响应曲线。通过文献中的试验数据对模型进行验证,发现该模拟方法可以模拟单纤维拉拔过程及荷载-位移曲线。进一步,通过模型研究纤维方向、弹性模量和水泥-纤维界面黏结强度对于拉拔荷载-位移响应曲线的影响。模拟结果可用于研究不同边界条件下各种因素对试验结果的影响,计算工程水泥基复合材料单裂缝桥接关系,为高韧性工程水泥基材料设计提供参考。

基于分段步进式弹塑性格构模型的混凝土破坏过程细观模拟

经典格构模型理论假设单元服从完全脆性的线弹性本构关系,忽略了砂浆基体的延性,导致预测的混凝土荷载-位移曲线延性不足。针对该问题,基于分段步进式方法描述砂浆单元弹塑性本构关系,通过序列线性理论模拟试件受荷损伤破坏过程及力学响应。基于混凝土单轴拉伸和压缩试验对模型进行了校验,发现该模拟方法可以精确模拟混凝土的开裂及荷载-位移曲线。同时,该模型可用于模拟混凝土受拉开裂的尺寸效应问题,以及受压破坏时受力端横向约束程度和试件长细比对开裂行为的影响,为研究混凝土的断裂行为提供了新的理论方法和途径。

基于格构模型的岩石类材料破坏过程的数值模拟

本文采用二维格构模型在细观尺度上模拟岩石类材料的破坏过程 .格构模型将连续介质离散为由弹性杆或梁单元组成的二维格构网格 ,单元采用简单的本构关系和破坏准则 ,单元之间的参数可互有差异 ,以引入材料的非均质性 .在外载作用下对整体网格进行线弹性分析 ,计算出格构中各单元的局部应力 ,超过断裂阈值的单元将破坏 ,材料的破坏过程通过单元的依次破坏来模拟 .本文使用格构模型分析了单轴拉伸破坏和单边切口梁的剪切破坏 .数值模拟结果表明 ,格构模型可作为岩石、混凝土类材料破坏分析的一种有效方法 .

基于格构模型的岩石类材料开裂数值模拟

采用二维格构模型模拟岩石类材料的开裂过程。格构模型将连续介质离散为由弹性杆或梁单元组成的二维格构网格,单元采用简单的本构关系和破坏准则,单元之间的参数可互有差异,以引入材料的非均质性。在外载作用下对整体网格进行线弹性分析,计算出格构中各单元的局部应力,超过断裂阈值的单元将破坏,材料的破坏过程通过单元的依次破坏来模拟。使用格构模型分析了单轴拉伸破坏和单边切口梁的剪切破坏。数值模拟结果表明,格构模型可作为岩石、混凝土类材料开裂分析的一种有效方法。

基于格构模型再生混凝土单轴受压数值模拟

根据再生粗集料的特点,建立了再生混凝土随机集料模型,进而基于格构模型理论定义了5种格构单元:粗集料单元、新砂浆单元、新界面单元、老砂浆单元和老界面单元.在对比分析的基础上,为不同单元确定了不同的力学参数.采用杆系结构有限元方法,以Fortran语言编程计算了再生混凝土的单轴受压应力-应变曲线.与试验曲线对比发现,在参数选择适当的前提下,所建模型可用于模拟计算再生混凝土单轴受压时的应力-应变曲线.

二维格构模型在岩石类材料开裂模拟中的应用

采用二维格构模型来模拟岩石类非均质材料的开裂过程。该方法能较好地反映材料微结构对开裂的影响。该模型中 ,岩石类连续介质被离散为由弹性杆或梁组成的二维格构。单元的属性根据某种概率分布而变化 ,以体现材料的随机不均质性 ,材料的开裂破坏通过单元的断裂来实现。算例表明 ,该模型能较好的模拟出岩石类材料的开裂过程及其荷载 -位移曲线。

基于格构模型的水泥浆体离子稳态扩散模拟

首先采用数值模型得到水泥浆体的模拟微观结构,然后将其离散化为像素.根据该离散化微观结构建立具有扩散性能的格构单元组成的三维格构网络,求解固定离子浓度边界条件下通过水泥浆体的离子流量和内部离子浓度分布,并预测材料的扩散系数.在求解离子浓度分布的过程中,比较了差分法和共轭梯度法的优缺点,发现采用共轭梯度法更快捷.最后用稳态氯离子扩散试验验证了该模拟方法的可靠性,并预测了水泥浆体的氯离子有效扩散系数随水胶比和养护龄期的变化关系.

混凝土氯离子扩散系数预测的格构模型

提出了混凝土氯离子扩散系数预测的格构模型;应用能量等效原理,导出了格构梁和连续体氯离子扩散系数之间的解析关系式.基于模拟所得的骨料分布和格构梁与骨料之间的相对位置,确定了每一个格构梁单元的刚度矩阵.通过有限单元分析,获得了混凝土氯离子扩散系数;定量评价了最大骨料直径、界面氯离子扩散系数和骨料级配对混凝土氯离子扩散系数的影响.基于数值结果,发现混凝土氯离子扩散系数随着最大骨料直径的增大而减小;随着界面氯离子扩散系数的增大而增大;骨料级配对混凝土氯离子扩散系数有较大影响.

椭圆形骨料混凝土弹性模量预测的格构模型

提出了椭圆形骨料混凝土弹性模量预测的格构模型。首先通过在正方形区域中模拟椭圆形骨料分布获得混凝土细观结构;再应用格构模型将混凝土连续体等效为离散体,把格构梁分为骨料、界面和水泥石基体3类单元,并根据三相组分的面积百分数对这3类单元的比例进行修正,较准确地描述了混凝土材料的非均匀性;最后用有限单元法获得混凝土弹性模量。通过与文献中的2组试验结果比较,验证了本文数值方法的有效性。

格构细胞机模型在岩石劈裂过程中的数值模拟研究

基于弹塑性损伤理论,结合格构细胞机以及格构模型的优点,提出了格构细胞机模型,用于模拟岩石的劈裂破坏机理并取得了较好的结果.

再生混凝土轴心受拉性能试验与格构数值模拟

通过轴心受拉试验获取再生混凝土各相材料(老硬化砂浆、新硬化砂浆、界面过渡区)的力学参数,并研究再生混凝土在轴心受拉状态下的破坏机理。基于固体力学相关知识,结合再生混凝土各相材料的力学性能,建立一种再生混凝土细观格构模型。根据试验获得的再生混凝土各相材料力学参数,通过格构模型对再生混凝土进行轴心受拉模拟分析,获取再生混凝土轴心受拉应力-应变曲线,并探讨再生混凝土的内部破坏过程和轴心受拉破坏机理。结果表明,再生混凝土的受拉断裂部位主要集中在新或老硬化砂浆处,针对再生混凝土受拉力学性能,格构模型的模拟分析与轴心受拉试验结果基本吻合。

基于LDPM模型的胶凝砂砾石料细观力学性能

通过室内单轴抗压强度试验,探究不同水泥掺量对胶凝砂砾石料力学性能的影响。结果表明:随着水泥掺量的提高,胶凝砂砾石料弹性模量及抗压强度逐渐增大,其力学性能由类似于堆石料逐渐演变为类似于碾压混凝土。为了研究材料的破坏机理,采用细观格构离散粒子模型(lattice discrete particle model,LDPM),建立材料细观模型,对胶凝砂砾石料单轴受压状态下细观裂缝扩展情况进行模拟,数值模拟得到的应力-应变曲线与实验数据相吻合;通过裂缝开度云图可以看出,在弹性阶段几乎没有裂缝产生,直至轴向应力达到抗压强度值后,裂缝逐渐萌生、扩展,最终形成平行于压力方向的多条裂纹,导致试件破坏。裂缝主要延砂浆与骨料之间的界面层扩展,骨料基本未破碎。通过LDPM模型可以有效模拟胶凝砂砾石料细观裂缝的形成与发展机理。

剪切型Beam Lattice模型及其在岩石翼裂纹扩展和贯通模拟中的应用

采用考虑剪切效应和Mohr-Coulomb失效准则的剪切型Beam Lattice(SBL)模型来模拟翼裂纹扩展和贯通过程中出现的次生裂纹.该模型采用随机多边形网格来反映材料的非均质性,在结果分析中应用裂纹扩展路径来区分张拉型和剪切型裂纹扩展.利用SBL模型对不同间距的初始裂纹进行模拟,并将模拟结果和实验观测结果进行比对.结果表明,SBL模型可以较为准确地模拟不同模式下的裂纹扩展和贯通路径.翼裂纹的扩展和贯通呈现阶段性,首先出现张拉型裂纹,当裂纹间距为10 mm时出现清晰的贯通裂纹,最后出现剪切型裂纹.裂纹的扩展进程在加载前中期保持稳定,而在加载末期时明显加快,出现不稳定扩展的现象.SBL模型中考虑更多的剪切效应会得到更多的剪切型裂纹.

胶凝砂砾石料坝离心模型试验及LDPM数值模拟研究

胶凝砂砾石料坝作为一种新型坝,其性能受到广泛关注。为了探究胶凝砂砾石料坝的工作特性,以40.6 m高的胶凝砂砾石料坝为原型,设计并开展了相似比为65的离心模型试验。试验结果表明:在自重沉降作用下,坝体位移关于坝轴线对称,位移值由坝底至坝顶处逐渐增大;随着上游蓄水高度的增大,坝体各点位移逐渐向下游偏转。随后对格构离散粒子模型(LDPM)进行简单介绍,结合三轴压缩试验,对胶凝砂砾石料进行模型参数标定。通过对比离心模型试验结果,验证数值模型对探究胶凝砂砾石料坝坝体变形问题的适用性。进而,根据水密度超载法引入超载系数K,探究胶凝砂砾石料坝的超载能力及破坏形态。仿真结果表明:当K<2时,坝体没有裂缝出现,随着K值增大,裂缝首先出现在坝踵位置,然后逐渐向上、向坝趾扩展。论证了胶凝砂砾石料坝具有较强的超载能力。

胶凝砂砾石料渗流应力耦合作用细观模拟

胶凝砂砾石料以其优越的性能受到广泛关注,为了探究其在渗流应力耦合作用下的破坏特性,基于一种新的细观离散元模型——格构离散粒子模型(LDPM),建立了胶凝砂砾石料渗流应力耦合数值仿真模型。结合胶凝砂砾石料三轴压缩试验结果,标定了该模型参数。通过对比不同水压力作用下胶凝砂砾石料楔入劈拉试验的数值模拟结果,验证了基于格构离散粒子模型的渗流应力耦合模型在模拟胶凝砂砾石料上的适用性。模拟结果表明:随着水压的增大,胶凝砂砾石料楔入劈拉试验的峰值荷载与其对应的裂缝口张开位移值都会减小,试件破坏之前所承受的循环加载次数减少。通过细观破坏的机理分析可知:随着水压力增大,裂缝扩展过程区变短,水更容易注入裂纹尖端,材料的破坏模式更加趋于脆性破坏。研究结果可为渗流应力耦合作用下胶凝砂砾石料坝、围堰等水利工程中材料的破坏行为分析提供计算模型和参考。

岩石中锚杆拔出试验的数值模拟

采用二维格构模型分析了岩石中锚杆拔出试验。格构模型将材料在细观尺度上离散为由梁单元组成的格构系统。单元采用简单的本构关系和破坏准则,假定单元的抗拉强度服从正态分布,以引入岩石的非均质性。在外载作用下对整体网格进行线弹性分析,计算出格构中各单元的局部应力,超过断裂阈值的单元将破坏,材料的开裂过程通过单元的依次破坏来模拟。研究中考察了材料非均质程度、约束条件对开裂机理的影响。数值结果表明,非均匀性导致了开裂形态的非对称性,而增加水平约束后,试件的荷载-位移反应由脆性变为柔性。

水泥石弹性模量预测的数值方法

描述了水泥水化全过程二维模拟方法,通过图像给出了未水化水泥、水化产物和毛细孔随时间的演变。基于模拟所得的水泥石微观结构,应用格构模型提出了水泥石弹性模量预测的数值方法,通过与文献中的试验结果比较,初步验证了该数值方法的有效性。

考虑边界约束的钢筋混凝土锈胀开裂模拟

大多数混凝土锈胀开裂数值分析仅限于对钢筋周围核心部位混凝土进行模拟。但核心混凝土处于周边混凝土的包裹之中,所以边界受到周边混凝土的约束。由于计算机内存不足而无法用格构式模型对全结构进行数值模拟,本文将运用ANSYS有限元分析软件及MTALAB数值模拟软件,提出一种组合模型分析方法,将格构式模型(核心混凝土)与双线性四边形单元模型(周围混凝土)进行耦合,实现两种模型之间力的传递,模拟了钢筋混凝土在边界约束下的锈胀开裂,做到更准确的模拟。

再生混凝土单轴受压性能细观数值模拟

论文运用富勒级配曲线及蒙特卡罗方法,运用C++程序建立再生混凝土二维圆形骨料模型,从细观层次上生成再生混凝土的格构模型,赋予各类材料相应的力学参数;根据线弹性本构模型理论,编写非线性损伤程序,从细观层次上模拟再生混凝土单轴压缩试验,得出再生混凝土试件在荷载作用下的应力-应变关系曲线。结果表明:本次实验采用的格构模型及程序可以模拟再生混凝土的细观结构特征。

二维钢筋混凝土氯离子作用锈胀开裂数值模拟方法

在环境氯离子作用下混凝土构件因钢筋锈胀产生开裂,导致结构耐久性退化。为模拟并研究这一过程,基于经典Fick定律建立了考虑温湿度、水灰比、氯离子浓度等的多因素氯离子扩散数值模拟方法。针对混凝土锈胀开裂,提出了基于二维格构式模型的钢筋混凝土锈胀开裂模拟方法,并建立了自由网格模型与格构式模型之间的钢筋表面锈胀节点力转换方法。基于上述方法针对某钢筋混凝土自然锈蚀试验进行数值模拟,与试验结果对比并验证本方法的可行性。最后,基于提出的方法研究钢筋位置、混凝土保护层厚度、钢筋直径对钢筋锈蚀及混凝土保护层锈胀裂缝宽度的影响。研究结果表明;角区钢筋锈蚀均大于边区钢筋;混凝土保护层厚度越大,钢筋锈蚀增长越缓慢;混凝土保护层裂缝宽度随钢筋直径增大而增加。