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。

非堆积型多颗粒阻尼器等效力学模型及其减振性能分析

为考虑颗粒群碰撞过程中时间效应对非堆积型多颗粒阻尼器(non-packed particle damper, NPPD)减振性能的影响,在现有考虑惯容的等效单颗粒力学模型(equivalent inertia single-particle model, EISM)研究基础上,提出了基于接触单元法的等效单颗粒力学模型(equivalent inertia single-particle model based on contact element method, EISM-CE),并基于Runge-Kutta算法建立了NPPD单自由度结构运动状态求解算法。设计进行附加NPPD单层钢框架结构振动台试验,探究不同填充率对结构顶层位移频响曲线的影响规律,提出了EISM-CE参数取值原则,进而进行力学模型试验验证及模型对比分析。在模型验证合理性基础上,基于EISM-CE依次进行了自由振动、简谐激励及记录强震动下减振性能及能量变化规律分析。研究结果表明,与现有EISM相比,提出的基于接触单元法的EISM-CE模型及参数取值原则更加合理有效。减振性能数值分析结果表明,不同激励下NPPD均具有较好的减振性能;考虑碰撞时间效应后EISM-CE与EISM对应减振性能及机理分析结果存在一定的差异。

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。

基于计算流体力学-离散单元法的U形管冲蚀磨损数值模拟研究

采用计算流体力学-离散单元法(CFD-DEM)和切向撞击能模型(SIEM)来研究气固两相流中高速煤粉颗粒冲击导致的U形弯管冲蚀磨损问题。分析了颗粒粒径、气体流速、固体颗粒形状对其冲蚀磨损特性的影响,并验证粗粒化模型应用于此磨损过程的准确性。结果表明,U形弯头的冲蚀磨损位置主要有3处;磨损率随粒径的增大呈现整体减小的趋势;U形管拱背磨损率随气速的增加而增大,且前2处磨损率峰值位置随气速的增加向入口方向偏移;长椭球对U形管造成的磨损最严重,扁椭球次之,球形最轻;粗粒化CFD-DEM能够基本准确预测U形管冲蚀磨损,且显著降低计算时间。

基于近场动力学均匀化的混凝土防渗墙等效损伤模型

混凝土防渗墙在我国覆盖层高土石坝坝基防渗中应用非常广泛。受到巨大水推力、土压力及不均匀沉降作用的混凝土防渗墙可能会出现局部破损,该过程涉及到的尺度差异大、复杂破损精细化描述等问题通常是分析的难点。通过近场动力学多尺度均匀化分析,提出了一种高土石坝混凝土防渗墙破损等效损伤模型。首先给出了该等效损伤模型建立的基本思路,然后基于防渗墙破损的机理和应力状态规律的认识,采用近场动力学多尺度均匀化方法,建立了可用于工程三维分析的高土石坝防渗墙破损的等效损伤模型。该模型具有形式简单、参数少且物理意义明确、拉压统一描述、模型新引入的指数参数可以更好地模拟混凝土损伤发展速度等特点,便于工程应用。通过混凝土材料单轴受拉和受压试验及混凝土偏心三点弯曲梁算例验证了模型的有效性后,将该模型有效应用于某砾石土心墙堆石坝防渗墙的三维破损分析中。

隐重启动精化Arnoldi缩减金属导体部分单元等效电路模型

针对金属导体部分单元等效电路模型渐进波形估计缩减方法的数值病态和普通Arnoldi缩减算法受初值选择影响和收敛性复杂的问题,提出了基于隐重启动精化Arnoldi算法的金属导体PEEC模型缩减方法。将主导极点的抽取转化为主导特征值的抽取。对系统主导特征值精化,并通过重启动抑制非主导特征值。在此基础上,对所建立的金属导体模型进行简化,给出了简化后不同支路的电阻和电感值。通过分析和算例对比证明了算法的有效性。通过对一毫米级导体阻抗频率特性进行仿真和试验对比验证了算法的正确性。仿真阻抗幅频特性最大误差为4.1%,相频特性最大误差为2.7%。算法可有效克服传统模型缩减算法只能提取有限缩减支路和缩减支路较少时提取极点质量不高的不足,提高了工程应用价值。

基于均匀化理论的混凝土宏细观力学特性研究

在细观层次上将混凝土视为由砂浆基质、骨料及其界面组成的三相复合材料，在此基础上，采用有限元方法，对混凝土弹性本构关系进行数值模拟，利用位移渐近展开技术和均匀化理论建立了多尺度力学框架下的有限元平衡方程，重点考察了单胞尺寸对宏观力学性能的影响，得到了相对最大骨料粒径的最小单胞尺寸，即5～10倍最大骨料粒径。作为例证，对混凝土三点弯梁进行了宏细观尺度数值仿真研究，结果表明：基于本文方法可以较好地反映混凝土的宏观力学行为。此外，由于骨料、砂浆的相互作用，应力分布呈现出宏观渐变平滑与细观局部突变的特征。

《土木建筑与环境工程》06／2012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，提出了一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。

基于三维微-细观尺度模型的混凝土力学性能研究

依据水泥种类、水灰比、配合比和骨料级配等信息,在微观尺度上引入CEMHYD3D水化模型重构了水泥浆模型、在细观尺度上发展硬核/软壳模型构建了混凝土模型;研究基于Rankine准则和损伤模型的适用于混凝土微-细观模型的数值均匀化方法,从而提出混凝土力学性能递进分析和预测方法。算例分析表明,提出的方法能够较好地分析和预测混凝土的宏观力学性能;通过老化病害过程微观尺度的模拟,可实现混凝土老化病害机理分析。

基于离散单元法的土壤力学接触模型的建立

简述了离散单元法的发展现状,介绍了目前离散单元法的应用情况,分析了离散单元法在土壤行为中应用的可行性,指出离散单元法应用于土壤这样的多相不连续复合体系中,以离散单元的总体行为来描述土壤动态行为具有独特的优越性,提出了在离散单元法前提下建立土壤力学接触模型的方法。

裂隙单元修正等效渗透率模型及其验证

采用裂隙单元表征裂隙网络,引入裂隙单元等效渗透率的概念,按照流量等效的原则计算其大小,然而阶梯状裂隙单元造成渗流流程的增加,同时压差不变导致流量的减少,为解决这一问题,用裂隙在网格中的实际流程长度与裂隙迹长之比来修正裂隙单元等效渗透率,并且针对复杂裂隙网络,对其进行预处理——删除孤立裂隙、死端裂隙、孤立裂隙簇等非连通裂隙。用此修正模型对单裂隙、相交裂隙、复杂裂隙网络进行渗流数值模拟,并与理论解及离散裂隙网络模型方法渗流结果进行比较,结果显示:研究区域下游出口总流量及出口处流量分布均取得较好一致性;同时,此裂隙单元修正等效渗透率模型也能反映出裂隙岩体渗流的非均质和各向异性。

泥岩卸荷损伤-水次序作用下的劣化规律研究

工程开挖建设导致软岩形成卸荷损伤,其在水-岩作用下的劣化特征与卸荷损伤程度密切相关。以巴东地区红层泥岩为研究对象,设计进行了泥岩卸荷损伤模拟试验,随后对卸荷损伤泥岩试样进行水-岩作用试验,结果显示:卸荷损伤导致泥岩局部矿物颗粒形态破坏、微裂缝发育,在后续水-岩作用下颗粒间胶结程度持续弱化,孔隙、裂缝进一步扩展。宏细观参数随水-岩作用时间的增长,其中质量m呈现先上升后骤然下降再趋于稳定的趋势,纵波波速P呈现先减少后上升的趋势,体积应变εv呈现逐渐增大的趋势,分形维数K呈逐渐增长的趋势;且各参数的增长速率均随卸荷损伤程度D的增大呈幂函数增加,当D≥0.49时,各参数的增长速率急剧增大;确定以质量、纵波波速、体积应变和分形维数作为与水反应系统的变量,并运用非线性动力学理论建立了水-岩作用下的泥岩劣化模型,并验证了模型的合理性。研究结果表明所建模型能表征卸荷损伤泥岩在水-岩作用下的宏细观特征参数变化趋势提供一定理论参考。

3D Voronoi等效晶质模型在岩石破坏细观研究中的应用

基于3DVoronoi图提出一种能够反映岩石矿物晶粒结构的三维精细化建模方法,分析了晶粒排列均匀化程度及大小等微观结构的变化对模型宏观力学性质的影响程度,并进行了晶粒结构优化设计。通过模拟粉砂质板岩单轴压缩和巴西劈裂的破坏过程,以及与室内试验对比验证了其适用性,并从细观角度揭示了岩石的破坏机理。研究结果表明:通过裂纹生长速率大致可以表征室内试验中弹性变形、非弹性变形和峰值后宏观破坏阶段;岩样在单轴压缩和巴西劈裂破坏过程中以拉伸断裂为主,在宏观上表现为脆性断裂;岩样宏观断裂呈现沿晶和穿晶断裂的组合形态,弹性变形阶段裂纹的萌生和扩展以沿晶断裂为主,而穿晶断裂的扩展和贯通往往导致局部失稳,表现为非弹性变形阶段。

基于内聚力模型的纤维复合材料细观损伤模拟

基于代表性体积单元和内聚力模型,使用内聚力单元和扩展有限元方法分别模拟界面损伤和基体损伤,通过ABAQUS二次开发建立了纤维增强复合材料细观力学模型。以受横向拉伸的碳纤维/树脂代表性体积单元为研究对象,分析对比了不同强度下仅考虑界面损伤时复合材料的力学特性和同时考虑界面、基体损伤时的力学特性。结果表明纤维对基体的增强效果随界面强度提高;扩展有限元方法能在不依赖网格数量的条件下准确描述基体中多条裂纹的萌生及扩展过程,并且捕捉到基体裂纹引起的界面损伤;仅考虑界面损伤时的代表性体积单元平均应力-位移曲线后期呈上升趋势,而同时考虑界面和基体损伤的平均应力-位移曲线后期呈下降趋势。

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.

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。

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.

石灰岩粗颗粒湿化接触力学特性

为探究岩土粗颗粒湿化后的粒间接触力学特性,将粗颗粒间接触形式简化为点-面接触,利用改造后的岩石双轴流变仪开展不同湿化程度下的粗颗粒法向和切向接触试验,分析粗颗粒湿化接触力学性质,归纳出粗颗粒湿化接触经验模型.针对不同湿化程度的粗颗粒土体进行大型直剪试验,利用湿化接触模型对直剪试验进行离散元数值模拟,通过数据对比验证湿化接触模型的可靠性.研究结果表明,湿化水平影响粗颗粒点-面接触的破坏形态;表面湿润状态的粗颗粒法向和切向接触刚度略有减小,而浸泡状态的接触刚度减小明显;湿化后的颗粒接触刚度曲线可以利用幂函数拟合为经验模型,利用该模型对大型直剪试验进行数值模拟,计算误差不超过5%.研究结果可为粗粒土工程离散元数值计算提供依据.

基于自洽法的电化学沉积修复饱和混凝土细观描述

针对当前电化学沉积修复混凝土缺乏细观层次上的理论描述,首先,以饱和混凝土的细观结构和电化学沉积修复的主要机理为基础,提出了含电化学沉积产物、水和混凝土基体在内的三相复合材料细观力学模型.其次,为了从细观层次定量描述电化学沉积修复对混凝土宏观性能的影响,基于自洽法对上述细观力学模型进行多层次均匀化处理,获取电化学沉积修复饱和混凝土的有效性能,其中,第一层均匀化是采用广义自洽模型获取等效夹杂的有效性能,第二层均匀化是采用自洽方法和沃伊特(Voigt)上限相结合的方式获取修复混凝土的有效性能.最后,为了验证该文所提出模型和方法的有效性,对比了该文的预测结果、试验数据和已有模型,结果表明了该文模型和方法是合理的.

岩石非线性细观响应中温度对岩石力学性能的影响

对饱和岩石随温度变化情况进行实验研究,其结果显示:饱和岩石随温度升高,模量、波速减小;随温度继续升高,模量、波速又随温度升高而增大。这一规律是热激活弛豫波动理论模型的佐证。将这一温度效应引入隐含内力的细观PM(Preisach-Mayergoyz)模型中,则模型中的模量Ki变为与温度相关的函数Ki(T)。温度T的变化同样会引起PM空间中滞回细观单元(HMU)特征长度和PM空间HMU密度分布的变化,从而引起宏观模量的变化,为此建立温度对PM空间非经典单元(NCU)密度影响的函数关系。在此基础上进行温度效应的细观研究,且对循环加载滞回圈的温度效应进行模拟,取得滞回圈随温度升高向应变增大方向移动,滞回圈模量降低,随温度继续升高,滞回圈又随温度升高朝低应变方向移动,模量增大。这一细观模拟结果与国内外相关实验结果是一致的。