基于黏聚裂纹模型的混凝土断裂过程扩展有限元法模拟

为了解决混凝土材料的断裂问题,采用扩展有限元法结合黏聚裂纹模型对混凝土非线性断裂力学行为进行模拟。在黏聚裂纹模型中,裂纹附近应力场没有奇异性,因此,基于四结点四边形单元构造了一种新的黏聚裂纹模拟的扩展有限元位移模式,并采用符号函数对所有的开裂单元(包括裂纹贯穿单元和裂尖单元)进行加强。采用类似于"弧长法"的方案求解非线性控制方程。结果表明:该加强策略解决了裂尖单元裂纹两边应力不等的问题,其裂尖位置任意,且混合单元处理方便。通过数值模拟混凝土Ⅰ型和混合型断裂问题,将模拟结果与参考解及试验结果进行比较,误差均在5%以内,验证了该方法的可靠性。该方法采用统一的符号函数进行加强,编程更为方便。

基于黏聚裂纹模型的煤岩体韧性断裂机制研究

传统线弹性断裂理论已不再适用于表征煤岩体韧性断裂特征,为了描述煤岩体Ⅰ/Ⅱ混合型裂纹扩展行为,通过Ⅰ型半圆盘三点弯曲(SCB)实验和贯穿剪切(PTS)实验,构建基于PPR势能函数的泥岩及煤Ⅰ/Ⅱ混合型黏聚裂纹模型。实验结果表明:煤SCB试件峰值载荷后非线性损伤过程中,裂纹尖端张开位移(CTOD)增加量是泥岩试件的3.48倍;同时,通过数字图像相关方法(DIC),测定煤岩试件中断裂过程区(FPZ)长度,其中煤试件的FPZ长度约为6.21mm,是泥岩试件的2.75倍,这直接导致煤试件的韧性断裂破坏特征表现得更为显著。煤岩贯穿剪切(PTS)实验中,煤PTS试件的最大切向位移为0.055 mm,远大于泥岩试件的最大切向位移,表明煤PTS试件Ⅱ型韧性断裂特征明显高于泥岩试件:此外,两类煤岩试件Ⅱ型断裂能高于其Ⅰ型断裂能,这说明发生Ⅱ型剪切断裂需要消耗更多的能量。最后,进行煤岩体Ⅰ/Ⅱ混合型单边缺口梁(SENB)三点弯曲实验及与其相对应的数值模拟研究,数值模拟过程分别基于所建立的PPR黏聚裂纹模型和线弹性断裂理论。通过以上对比可知,相较于线弹性,断裂理论,基于所建立的PPR黏聚裂纹模型的数值模拟结果更加符合实验结果,验证了所建立的PPRⅠ/Ⅱ混合型黏聚裂纹模型适合用于表征煤岩体Ⅰ/Ⅱ混合型韧性断裂行为。

无限大平板黏聚裂纹模型的数值解

本文采用数值方法分析了混凝土非线性断裂中断裂过程区的力学特性。以无限大板中心拉伸裂缝模型为例,在黏聚裂纹模型的基础上,假设裂纹尖端应力奇异性消失,将过程区黏聚力表达式转化为Fredholm II型积分方程,并通过数值积分方法求解。本文得到了断裂过程区上的位移分布,黏聚力分布,断裂过程区长度与外荷载之间的关系,并得出了最大荷载与初始裂纹长度的关系,并讨论了混凝土断裂的其它特性。

裂隙水流与混凝土开裂相互作用的耦合模型

利用扩展有限元法对裂隙水压作用下混凝土结构的开裂过程进行了模拟,裂纹中的流体运动在立方定理的基础上求解,混凝土开裂力学行为采用了黏聚裂纹模型来描述,采用松散型的耦合方式考虑裂隙水流和开裂结构间的相互作用。推导了在基于虚节点法的扩展有限元法框架下的耦合模型控制方程,通过双层迭代结构进行总体方程求解,对混凝土试件在裂纹水压作用下的开裂过程进行了数值模拟。不同加载速率条件下的计算结果反映的裂纹水压变化规律均与试验相近,结果也说明了扩展有限元法是处理连续-非连续问题的一种有效方法。

冲击载荷下镁铝合金裂纹动态扩展过程的数值模拟

采用基于黏聚裂纹模型的扩展有限元方法,开展了镁铝合金结构冲击破坏过程的数值模拟研究。通过镁铝合金三点弯曲试样冲击实验,获得了不同子弹撞击速度下试样的冲击破坏模式。在此基础上,建立了实验结构的扩展有限元模型,并采用最大主应力准则,以及含损伤型的本构关系模拟材料的冲击断裂行为。对于裂纹尖端附近区域,采用黏聚裂纹模型模拟裂纹的断裂过程。对子弹速度分别为12.2、15.1、26.3m/s的3种工况下镁铝合金试样的动态破坏过程进行了数值模拟研究,获得了与实验相一致的断裂模式。计算结果表明,试样以Ⅰ型断裂模式为主,裂纹沿初始预制裂纹方向扩展。当裂纹扩展到一定程度后,在试样韧带区域被撞击端附近,由于应力波及边界效应导致该区域处于复杂应力状态,试样出现复合型断裂模式,裂纹偏离原扩展路径,与本文实验结果相吻合。

循环应力损伤对煤体I型动态断裂特性的影响

为探明循环应力损伤作用对煤体动态断裂特性的影响,对原始及循环应力损伤后的煤体I型单边缺口梁试件进行了静态与动态断裂试验研究。通过试验得到:煤体平均动态I型断裂韧度(KIC)为0.344 MPa·m^(1/2),平均I型断裂能(GC)为66.99 N/m,较静态煤断裂参数分别提高了1.38倍与1.26倍;经循环应力损伤后煤试件的平均静态KIC值为0.219 MPa·m^(1/2),平均静态GC为44.26 N/m,较原始煤试件分别降低了12.05%与16.74%;平均动态KIC为0.279 MPa·m^(1/2),平均动态GC为52.72 N/m,与原始煤试件冲击断裂试验结果相比,分别降低了20.90%与21.30%。试验结果表明,循环应力对煤体的动静态断裂力学参数均具有劣化影响,且煤试件动态断裂力学参数的劣化程度更高,证明煤体动态断裂行为对循环应力损伤作用更加敏感。同时,原始及循环应力损伤后煤试件动态断裂破坏的分形维数分别为1.32与1.21,即原始煤试件在冲击载荷作用下断裂破碎的更加复杂,冲击动力学显现的更加充分。此外,基于黏聚裂纹模型的煤体I型动态断裂数值计算结果与试验结果相符,表明黏聚裂纹模型能够对煤体动态断裂过程进行有效表征。研究成果可为具为相似特性的煤体提供参考。

混凝土劈裂抗拉强度与轴心抗拉强度关系研究

国内外学者对混凝土劈拉与轴拉强度的强度关系的研究结论并不一致,为更好地研究两者强度关系,基于黏聚裂纹模型理论,进行了的圆柱体试件尺寸为150 mm×300 mm,垫条宽度变化范围为5～20 mm共8个级别的劈拉试验和尺寸为100 mm×100 mm×550 mm的棱柱体轴拉试验。建立了劈拉强度和直拉强度关系比fts/ft与圆柱体试件直径和特征长度比D/Lch的回归方程,并给出了公式中参数的取值,对大体积混凝土结构的设计及检测有一定的参考价值。

准脆性材料断裂模拟方法研究

针对岩石、混凝土类准脆性材料的断裂过程模拟,发展了基于黏聚裂纹模型的虚节点扩展有限元法,并给出了该法的数值原理和控制方程。通过三点弯曲梁拉伸断裂、单边缺口试件Ⅰ-Ⅱ复合型断裂和Nooru-Mohammed试验多裂纹断裂等典型算例,并与已有解或试验结果对比,表明该法适合于模拟准脆性材料由张开型裂纹支配的断裂过程。相对于节点分离有限元法,该法无需预设开裂路径;相对于塑性损伤有限元法,该法能够可靠模拟多裂纹曲线扩展;相对于标准扩展有限元法,该法无需引入裂尖单元,避免了应力强度因子的计算;相对于高阶富集扩展有限元法,该法具有良好的适用性,便于得到收敛的计算结果。此外,基于单元的位移场描述使其更易于嵌入常用有限元软件,从而利用后者良好的非线性计算功能求解复杂问题。

EPS混凝土静态劈裂性能研究

试验研究了不同粒径、不同含量聚苯乙烯泡沫混凝土(EPS混凝土)的劈裂性能。线弹性模型的计算结果表明:EPS混凝土劈裂强度表现出一定程度的粒子尺寸效应,粒子尺寸效应随相对密度的降低而减小。通过劈裂试样破坏形态可以看出,由于EPS混凝土在EPS颗粒与水泥浆体界面之间以及断裂过程区存在大量的微裂纹,试样在劈裂破坏中会出现一定数量的次生裂纹,EPS混凝土表现出明显黏性特性。建立EPS混凝土抗拉强度黏聚裂纹模型,计算结果表明:按黏聚裂纹模型计算的EPS混凝土的劈裂强度也表现出明显的粒子尺寸效应,且其计算结果略高于按弹性理论计算的结果,并且两者之间的差异随相对密度的增加而逐渐减小。