混凝土材料宏观力学特性分析的细观单元等效化模型

提出了一种混凝土材料宏观力学特性分析的新方法—细观单元等效化模型。该方法从描述混凝土材料的细观尺度入手,采用Monte Carlo法生成由骨料颗粒及砂浆基质组成的混凝土试件的随机骨料模型;然后,依据混凝土材料特征单元尺度来剖分有限元网格并投影到建立的随机骨料模型上,各细观单元的有效力学特性则采用复合材料等效化方法来确定。本文方法体现了材料非线性宏观力学特性源于其内在的不均匀性这一认识,而对不均匀性的描述则是以网格剖分是否影响其宏观力学特性为准则。因此,本文方法较其他细观力学方法最大的优点在于极大地减小了体系自由度数目(特别是对于三维问题),从而提高了计算效率。算例分析初步验证了本文方法的高效性。

用细观单元等效化方法模拟混凝土细观破坏

从非连续介质力学角度出发,提出了1种能准确模拟混凝土断裂破坏过程的细观单元等效化方法,推导混凝土细观单元的等效力学行为并数值验证了其合理性。基于细观单元等效化模型,采用扩展有限元法对单轴拉伸条件下湿筛混凝土试件的裂纹扩展过程及宏观力学性能进行数值模拟,并与细观随机骨料模型结果进行对比。结果表明:与随机骨料模型相比,细观单元等效化模型大大减小了体系自由度,在较低计算量的情况下可以获得与之较吻合的裂纹扩展路径及宏观力学性能,充分展现了该力学模型的准确性和高效性。

基于细观单元等效化方法的混凝土动态破坏行为分析

混凝土材料具有明显的应变率效应,对其力学性质增强机理的认识还不统一。在细观随机骨料模型基础上,采用特征单元尺度划分试件网格,推导了考虑材料拉/压强度应变率效应的细观单元等效本构关系,建立了非均质混凝土材料的细观单元等效化数值模型。基于二维模型对Dilger等混凝土动态压缩试验进行了数值模拟,获得的数值结果与试验数据及随机骨料模型结果吻合良好,证明了细观单元等效化方法的准确性;进而对三维混凝土试件动态单轴拉伸和压缩破坏模式及宏观力学性质的加载速率效应进行了研究。数值结果表明:随着加载速率的增加,混凝土裂纹(损伤)数量增大,混凝土破坏将耗散更多的能量,是混凝土动态强度提高的主要原因。

混凝土拉压强度尺寸效应的细观非均质机理

为了从材料细观非均质角度揭示混凝土强度尺寸效应机理,建立了混凝土细观单元等效非均质力学模型,开展了立方体抗拉、抗压强度尺寸效应细观数值模拟研究。研究结果表明:混凝土强度尺寸效应根源于材料细观非均质性,随着模型尺寸的增加,混凝土材料细观单元弹性模量变异系数增大,材料细观非均质性增强,大尺寸模型内部存在更多的低强度单元或缺陷,导致混凝土立方体抗拉、抗压强度降低,极限应变减小,脆性增大;混凝土损伤破坏由少量集中区域,发散扩展形成多条非贯通的裂纹带;数值模拟结果与尺寸效应实验数据相吻合。

不同饱和度混凝土静动态力学性能数值模拟研究

本文基于蒙特卡罗方法和Fuller级配理论生成了含孔隙的三维混凝土细观几何模型,采用Mori-Tanaka的复合材料等效化方法将细观模型中的骨料、砂浆和孔隙水材料力学参数属性进行等效化处理.对不同饱和度混凝土进行三轴受压数值模拟,研究了饱和度、应变速率、初始应力等对混凝土三轴受压力学性能的影响.结果表明:相同初始应力和应变速率下,混凝土抗压强度、峰值应变随饱和度的增加呈线性下降趋势,弹性模量随饱和度的增加呈微弱的线性上升趋势;相同饱和度和初始应力下,混凝土抗压强度、弹性模量和峰值应变随应变速率的增加而增大;相同应变速率和饱和度下,随着初始应力增加,混凝土的抗压强度、弹性模量、峰值应变随之增大.

芳纶平纹编织复合材料平板弹道冲击特性及损伤分析

为了研究1000D629T/EPMOLD110芳纶平纹编织复合材料平板抗冲击行为及损伤特性,采用真空辅助树脂灌注成型技术(VARI)和树脂传递模塑成型技术(RTM)加工不同厚度的平板试验件,通过空气炮装置进行弹道冲击试验。同时,基于芳纶平纹编织复合材料基础力学性能试验数据,建立经验证的细观代表体积单元(RVE)模型,通过拟合确定宏观模型的材料本构参数;建立芳纶平纹编织复合材料平板弹道冲击宏观有限元模型,结合CT扫描结果进一步分析其弹道极限特性及损伤形貌等。结果表明:芳纶平纹编织复合材料平板在圆柱弹体冲击试验下的失效模式主要为纤维拉伸断裂、纤维脱出、面外剪切与层间分离等;随着平板厚度增加,其弹道极限相应增加,且与VARI工艺相比,采用RTM工艺可将芳纶平纹编织复合材料平板的抗冲击性能提升5%;芳纶平纹编织复合材料平板宏观模型的弹道冲击仿真结果与试验结果吻合较好,弹道极限误差在1%以内。

纤维增强复合材料宏观与细观统一的细观力学模型

研究了复合材料宏观、细观特征之间的联系,将宏观复合材料体中的1点赋予了细观结构特征。基于细观结构周期性假设,建立了1种细观力学模型,用模型中高阶多项式函数模拟基体和增强相中的细观位移场;通过对细观单元力学方程的分析与求解,建立了复合材料宏观、细观力学变量之间的联系。该细观力学模型,不仅能用于复合材料宏观有效性能的预测及细观应力、应变场的分析,而且能够很容易地融入常规有限元法中,实现对复合材料结构的宏观、细观一体化分析。以该细观力学模型为基础的计算结果与部分文献中的试验结果及理论计算值具有较好的一致性。

基于黏结裂缝模型的混凝土细观损伤模拟

将混凝土视作由骨料、砂浆和交界面层(ITZ)构成,采用黏结特性描述材料界面间的相互作用,建立了混凝土细观黏结裂缝有限元模型。定义混凝土的微裂纹密度和裂纹聚合程度两种损伤度量参数,描述微裂纹的起裂、生长与相互连接汇合乃至试样失效过程。通过对10个试样的拉伸模拟发现了单主裂纹和双主裂纹两种失效模式。对试样平均应力、微裂纹密度和裂纹聚合程度与应变之间关系的分析表明,混凝土在损伤失效过程中存在明显的微裂纹成核区与裂纹聚合区。微裂纹成核造成的初期损伤具有随机性与全场性,导致试样在峰值应力前出现非线性。裂纹聚合造成的后期损伤具有局部化特征,是导致峰值应力后软化的直接原因,并且裂纹聚合程度损伤变量能够反映不同拉伸失效模式的软化特性。

基于细观力学的混凝土力学性能数值模拟研究

采用蒙特卡罗法建立基于瓦拉文公式与富勒级配曲线的随机骨料模型,运用ABAQUS模拟混凝土单轴受压与受拉的破坏过程,探讨尺寸与骨料粒径对连续级配混凝土试件的力学性能的影响。结果表明:同级配骨料粒径差异过大会降低试件强度;粒径差异相同情况下较大粒径搭配的试件的力学性能更接近真实情况;骨料粒径小且数目多使骨料分布更加均匀能够提高试件的抗拉强度。

滞后细观模型在岩石力学中的应用

对以砂岩为代表的所谓“NME材料”的力学行为研究方面的一些新的概念和模型进行了评介.首先介绍了一种基于所谓“滞后单元”的描述滞后现象的物理模型——Preisach-Mayergoyz(P-M)模型,然后详细阐述了P-M模型应用于模拟岩石的非线性滞后应力应变关系的过程和结果.这种唯象模型很好地描述了宏观上的滞后表现和“离散记忆”效应.接着本文对应变能耗散的力学机制进行了简单分析.最后,介绍了一种描述弹性波在“NME材料”中传播规律的数学方法,该方法从一般的弹性波传播规律出发,分析了“NME材料”特殊的力学性质给弹性波传播带来的影响,揭示了产生特殊的弹性波传播规律的原因.

再生玻化微珠保温混凝土随机损伤单轴受拉本构关系研究

考虑到再生玻化微珠保温混凝土组成材料物理性能的差异性,通过对不同原生强度再生骨料配制的再生保温混凝土受拉本构关系的研究,以及对建立的细观单元中弹簧弹性模量质量相对关系的分析,揭示了再生玻化微珠保温混凝土的受拉破坏机理,定义了受拉损伤变量。在弹簧模型理论的基础上,得到了再生玻化微珠保温混凝土受拉随机损伤本构模型和应力均值表达式,模型能很好地反映出混凝土在受拉时的损伤演化和刚度退化过程,并且模型计算结果与试验结果基本一致。

基于硅胶型磁弹磨粒的双磁盘磁力钝化研究

磁弹磨粒具有磁性、低弹性模量以及优良的研磨性能,兼备粘结磨粒和松散磨粒的特点。双磁盘磁力钝化方法能极大地提高钝化质量和钝化效率。将磁弹磨粒引入到双磁盘磁力钝化法中,提出了4035硅胶磁弹磨粒的制备方法,根据磁弹磨粒的细观特性,采用有限元软件ABAQUS建立了磁弹磨粒的细观代表性体积单元(RVE)模型,分析了磁弹磨粒在拉伸和压缩状态下的应力应变规律。搭建磁弹磨粒双磁盘磁力钝化实验平台,对磁弹磨粒进行受力分析。通过磁弹磨粒双磁盘磁力钝化实验,研究了磁盘转速、磨粒粒度和相对磁导率对刃口磨损量的影响规律,并且验证了采用磁弹磨粒磁力钝化法,相对于磁性磨粒磁力钝化法和立式旋转钝化法,能够获得最大刃口磨损量和最大表面粗糙度降幅。研究成果对促进我国磁力高效加工和磁力光整加工技术进步具有重要意义。

非均质混凝土材料破坏的三维细观数值模拟

在随机骨料模型的基础上,采用特征单元尺度对网格进行剖分,建立了非均质混凝土材料损伤破坏及宏观力学特性研究的三维细观单元等效化模型。对单轴拉伸、单轴压缩条件下湿筛混凝土试件的破坏过程及宏观力学性能进行了模拟分析;研究了混凝土梁的三分点弯拉力学特性,并与平面模型结果作了对比。研究表明:1)与平面计算模型相比,三维模型更真实地模拟混凝土材料在外荷载作用下的损伤破坏过程,更准确的描述非均质混凝土材料的宏观力学性能,且与实验结果吻合;2)骨料空间分布形式基本不影响混凝土材料的宏观弹性模量及强度,但影响其破坏过程和破损路径;3)与随机骨料模型等细观力学方法相比,该方法具有高效性。

方形锂离子电池内芯层集式模型方法及细观变形失效分析

方形锂电池内芯的变形失效是引发内部短路和热失控的主要因素。根据方形锂电池内部组分材料的力学试验,构建隔膜-正极-隔膜-负极相互堆叠的细观芯层单元模型。通过不同载荷条件下的模拟结果可知,芯层单元模型能够有效地表征宏观力学响应和细观变形失效。进一步构建芯层单元模型连接均质化模型的层集式耦合模型,并且定义了模型的计算架构。通过方形锂电池实例模拟的结果表明,层集式模型能较好地预测局部载荷下的力-位移曲线和内部短路位置。此外,层集式模型在不同的隔膜材料模型下出现了不同的峰值载荷。该建模方法不仅提升了精细化模型75%的计算效率,还增加了机械内部失效方面的深入理解,对于提高方形锂电池安全性设计有指导意义。

考虑孔隙及微裂纹影响的混凝土宏观力学特性研究

混凝土是一种典型的多孔介质材料,孔隙分布错综复杂,孔径尺寸跨越微观尺度和宏观尺度,对混凝土弹性模量及强度等力学参数产生巨大影响。认为混凝土是由骨料、孔隙及砂浆基质组成的三相复合材料,采用Monte Carlo法将孔隙、微裂纹及微缺陷与骨料颗粒随机投放在砂浆基质中。根据三相球模型及中空圆柱形杆件模型得到含孔材料的有效力学性质,并推导得到含孔材料的等效本构模型。建立含孔隙混凝土试件的细观单元等效化力学模型,对二级配含孔隙混凝土试件在单轴拉伸及压缩条件下的反应进行了非线性分析。结果表明:孔隙、微裂纹的存在对混凝土宏观弹性模量、强度及残余强度等力学性质都有很大影响,在对混凝土宏观力学特性分析及研究混凝土损伤断裂时不应忽略其影响。

考虑过渡区界面影响的混凝土宏观力学性质研究

混凝土材料的宏观力学特性及破坏机理由其细观组分来决定,界面过渡区是影响混凝土断裂破坏路径及宏观力学特性的重要因素。认为界面过渡区是区别于远处砂浆基质的一层含较高孔隙率的近场砂浆材料,采用"两步等效法"得到了混凝土细观单元的等效本构关系模型。最后基于细观单元等效化方法分析了在单轴拉伸、单轴压缩及弯拉载荷条件下混凝土试件的破坏过程及宏观力学性质,探讨了界面过渡区对混凝土力学特性的影响,并与随机骨料模型分析结果进行了对比。结果表明:界面相的存在对混凝土的弹性模量、强度及残余强度等力学性质有很大影响,在对混凝土宏观力学特性及细观断裂破坏过程进行研究时不可忽略其影响。

岩石准静态条件下加载过程中的非平衡效应

岩石具有重要的不可忽略的黏滞特性,准静态条件下试样应力–应变曲线表现出明显的加载速率相关特性,宏观表现为试样加卸载过程中的弹性后效,弹性蠕变和松弛等非平衡态非线性效应。基于经典的PreisachMayergoyz空间理论模型,引入具有时间依赖性的滞弹细观单元,得到改进的PM空间理论模型。采用所提出的改进的PM空间模型,研究不同加载速率下试样应力–应变曲线关系特征,以及准静态条件下试样加载过程中的非平衡效应。最后,提出滞弹细观单元变形–时间曲线的试验获取方法以及改进PM空间的重构方式。研究结果表明,加载速率越小,试样滞回曲线所围成的面积越小;加载速率越大,试样达到平衡状态所需要的时间越长。