T300／Al金属基复合材料动态Monte Carlo细观数值模拟

以修正的剪滞模型和大型精细复合材料计算模型为基础，用Monte Carlo方法对精细网格单元的纤维性能进行随机赋值，同时对网格单元的基体弹塑性能和界面性能（包括摩擦力）以及残余应力进行确定性赋值，建立单向金属基复合材料的Monte Carlo损伤细观数值动力学本构模型。从细观角度对T300/Al复合丝的静、动态拉伸变形，损伤和破坏过程进行了模拟，并对纤维就位性能，纤维原位性能与复合材料性能之间的关系进行了讨论。结果表明，用纤维就位性能模拟出的应力应变曲线与试验结果一致吻合，用纤维原位性能模拟出的结果偏离了试验结果（预报强度高于试验强度），同时也揭示了复合材料的强度主要由纤维的就位强度控制。

基于LBM-DEM细观数值模拟的水力诱导覆盖型岩溶地面塌陷发育过程分析

文章以水力驱动的覆盖型岩溶地面塌陷为背景,基于离散元方法和格子Boltzmann方法,采用Bouzidi插值反弹边界格式和动量交换法,建立一种可以从细观角度模拟覆盖型岩溶塌陷的二维格子Boltzmann方法—离散元方法流固耦合模型。在此基础上对承压水下降引起的覆盖型岩溶塌陷数值模拟开展了探索性研究。模拟结果表明:承压水位下降工况中地下水主要对隔水层岩溶开口处的颗粒产生影响,对土洞周围土体产生向下的作用力;土体颗粒的剥落容易造成土颗粒原位置和上方位置处水压的陡降,从而造成较强的水力坡降,使得地下水对内部颗粒作用力陡增,容易引起上方颗粒在地下水作用力和重力作用下失稳,导致从土体颗粒失稳至土层塌陷逐渐加速。研究成果对进一步从细观尺度进行水力驱动的覆盖型岩溶地面塌陷的发育过程与特征研究具有理论及实际意义。

基于三维细观模型的玄武岩纤维混凝土数值模拟

基于玄武岩纤维-砂浆界面的相关理论和试验数据,提出一种建立小直径纤维-骨料混凝土细观模型的方法,研究玄武岩纤维混凝土的损伤演化和纤维对混凝土的增强机理。通过建立的随机纤维-骨料混凝土三维细观模型预测和验证了玄武岩纤维混凝土的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、轴心抗压强度和抗折强度等力学性能,并从细观角度分析了混凝土的损伤演化和纤维的作用机理;建立不同分布形式、不同纤维掺量的随机纤维-骨料混凝土模型,研究了细观模型的力学稳定性及纤维掺量对混凝土的影响规律。结果表明:基于该方法建立的细观模型在预测玄武岩纤维混凝土静态力学性能方面具有较高的可靠性;混凝土损伤首先发生在较大基体变形的薄弱界面过渡区,并随着荷载的增加延展、联接,最终导致试件的整体破坏;玄武岩纤维具有抵抗基体变形的约束作用,对混凝土力学性能影响明显;纤维掺量小于1.5%时,掺量越大,增强效果越明显。

混凝土劈裂抗拉试验的离散元数值模拟细观参数研究

基于颗粒流软件PFC^(3D)研究细观参数对混凝土劈裂抗拉试验应力-应变曲线的影响,为离散元数值模拟的细观参数标定提供理论依据。通过控制变量法,研究摩擦系数μ、平行黏结模型的有效模量E~*、黏聚力c、拉应力σ_c、摩擦角φ和法向阻尼率β_(n)等细观参数对混凝土劈拉试验的影响。研究结果表明:平行黏结模型的有效模量E~*对宏观弹性模量的影响显著。随着有效模量的增加,宏观弹性模量逐渐增大,有显著的线性关系;平行黏结模型的黏聚力c、拉应力σ_c和摩擦角φ决定了宏观材料的峰值强度。其中拉应力σ_c和摩擦角φ的影响较小,黏聚力c对峰值强度具有决定性作用。随着黏聚力c增大,峰值强度线性增加;摩擦系数μ和法向阻尼率β_(n)对应力-应变曲线的影响可忽略不计。研究成果对快速、合理的确定混凝土数值模拟中平行黏结模型细观参数标定具有参考价值。

准噶尔盆地三叠系百口泉组砂砾岩细观变形破坏数值模拟

我国西部准噶尔盆地三叠系百口泉组砂砾岩致密油资源丰富。因砂砾岩储层中含有众多成分及强度大小不一的砾石,导致砂砾岩力学特征受砾石的形状、尺寸及物性影响较大,进而影响砂砾岩油藏的压裂裂缝复杂程度和压裂改造效果。鉴于此,针对准噶尔盆地百口泉组砂砾岩储层特征,建立了随机不规则多边形砾石的生成方法,并基于颗粒离散元法建立了砂砾岩力学数值模型,研究了典型砾石含量和分布对砂砾岩细观力学特征的影响机理。砂砾岩变形破坏数值模拟结果表明:低强度砾石对裂缝延伸的屏蔽作用较弱,裂缝大多呈“穿砾”模式,而高强度砾石对裂缝的屏蔽作用较强,裂缝更多呈“绕砾”模式;围压增加,岩石抗压强度明显增加,峰值应变能及滑移能也呈线性增加,且应变能增长显著;含不同砾石组合的砂砾岩储层中,剪切微裂缝数量随围压的增加而增加,且具有线性特征关系,高围压下含高强度砾石的砂砾岩具有更显著的塑性及延性特征,且存在明显的二次破坏现象;随低强度砾石的减少或高强度砾石的增加,砂砾岩的弹性模量增大,且抵抗变形能力增强,而不同砾石组合情况下,围压对砂砾岩弹性模量的影响较小;砂砾岩宏观破坏带的形成发育过程很大程度受控于内部细观结构,且受围压、砾石类型(力学强度)等的影响较大。

基于Python算法的混凝土球形骨料三维细观数值模拟方法

介绍了一种混凝土构件三维细观数值模型及球形骨料参数随机投放算法。基于Python语言自身的优势以及与有限元软件的良好对接,使用Python语言编写程序实现了骨料生成、骨料几何参数有效性判断、混凝土构件几何模型建立及网格划分的过程,并借助钢筋混凝土拉拔试验数值模拟验证了其有效性。

PDC齿切削砾岩的细观损伤模拟

砾岩一般具有孔隙结构复杂、非均匀性严重等特点,PDC钻头钻进砾岩地层时破岩效率普遍较低,室内试验很难有效地研究PDC齿的破岩过程。为此,采用离散元软件PFC2D建立了PDC齿切削砾岩的数值模型,研究不同切削深度、前倾角及岩石非均质度情况下,砾岩的破碎形式和过程,引入破岩比功评价了砾岩切削过程中的破岩效率。研究结果表明:一定范围内增加切削深度,砾岩内部剪切裂纹更快萌生且剪切裂纹占比显著增加,主裂纹沿自由面方向和切削方向绕砾扩展;提高砾岩非均质度,岩石逐渐由塑性破坏转变为脆性破坏,非均质度过高会增加砾岩的整体强度,且使作用在PDC齿上的冲击破坏频率增加,不利于破岩;当PDC齿以1 mm切削深度、5°前倾角切削砾岩时,可获得最高的破岩效率。所得结论可为PDC齿设计及切削参数选择提供理论支持。

复合推进剂细观力学行为试验及数值仿真研究进展

复合固体推进剂是一种以黏合剂体系为连续相,固体颗粒为分散相的高固体颗粒填充比例的复合含能材料,其宏观尺度力学行为强烈依赖于其细观尺度的三维结构。从推进剂细观力学行为角度综述了复合推进剂细观结构的界面特性和复合推进剂细观结构模型,数值分析了复合推进剂细观损伤演化,通过试验验证了推进剂细观损伤与宏观力学性能的相关性,指出了推进剂宏观性能的微细观结构影响机制,分析了目前标准的现状。为高颗粒填充高能固体推进剂的构效关系及配方设计与创制和复合推进剂标准建设提供重要参考。

弯-剪-扭复合受力CFRP布加固RC梁抗扭性能细观数值分析

为了研究弯-剪-扭复合受力条件下碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)布加固钢筋混凝土(reinforced concrete, RC)梁的抗扭性能,建立体现混凝土材料非均质性、钢筋-混凝土黏结滑移关系和CFRP布-混凝土相互作用关系的细观数值分析模型。由于缺乏CFRP布加固RC梁在弯-剪-扭复合受力作用下失效破坏的典型物理试验,采用复合对比验证法对数值模型的合理性进行验证,即分别与单独受剪、单独受扭以及受弯-扭复合作用下RC梁和CFRP布加固RC梁的试验结果进行对比验证。进而,基于建立的细观数值分析模型探究了配纤率和扭弯比对CFRP布加固RC梁在弯-剪-扭复合受力作用下抗扭力学性能的影响。结果表明:1)采用CFRP布加固能够显著提高RC梁的峰值扭矩;2)随配纤率增加,RC梁损伤分布范围逐渐变大,CFRP布应变逐渐减小,梁整体峰值扭矩增大,但其增大幅度减小;3)随扭弯比增加,RC梁裂缝分布愈加集中,裂缝与水平方向夹角逐渐减小,梁整体峰值扭矩增大,CFRP布应变减小。建立的考虑弯-剪-扭复合受力作用的数值模拟方法可为后续研究复杂应力状态下CFRP布加固RC梁尺寸效应行为等奠定基础。

基于混凝土真实三维模型的氯离子传输细观数值模拟

基于混凝土剖面序列图像重建真实三维模型的方法,将MIMICS、SOLIDWORK和COMSOL结合使用,研究混凝土细观结构对氯离子扩散影响。结果表明:模拟值与试验值能够相吻合,验证了真实三维模型的有效性;骨料的长径比越大,骨料的曲折效应越明显,对氯离子渗透的影响越显著;骨料的分布位置对氯离子扩散几乎没有影响;骨料越粗糙,对氯离子的阻滞效应越明显。界面过渡区(interfacial transition zone, ITZ)厚度、扩散系数越大,对氯离子扩散影响越大。将真实三维模型与随机骨料模型模拟结果对比发现:随机骨料模型模拟数值总是小于真实三维模型数值。

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.

纤维体积分数对C_(f)/Al复合材料热残余应力及损伤影响的数值模拟

针对真空压力浸渗法制备的单向碳纤维增强铝基复合材料(单向C_(f)/Al复合材料),基于基体延性损伤和界面内聚力本构建立了细观力学有限元模型,结合热膨胀实验,研究了其降温过程中热残余应力和损伤的分布与演化规律,并对纤维体积分数的影响进行了分析。结果表明:构建的细观力学单胞有限元模型能有效地模拟材料的宏观热膨胀变形行为及横向拉伸力学性能,可用于热残余应力及损伤状态的预测;材料制备完成后,基体主要承受热残余拉应力,纤维主要承受热残余压应力;随着纤维体积分数的提高,基体中残余拉应力在富基体区域的集中程度逐渐增大,纤维中残余压应力值显著降低;基体损伤发源于贫基体区域临近界面处,纤维体积分数越高,降温过程中基体初始损伤发生越早,最终损伤程度越大;纤维体积分数较大时,贫基体区域附近的界面会产生损伤,界面损伤发生在基体损伤之后。

钢-聚丙烯混杂纤维超高性能混凝土受压细观数值模拟

为深入研究钢-聚丙烯混杂纤维超高性能混凝土(hybrid fiber reinforced ultra-high performance concrete,HFR-UHPC)受压力学性能及纤维增强机理,本文利用ABAQUS软件建立了HFR-UHPC三维细观数值模型,对其轴心受压过程进行了数值模拟。通过对比轴心受压试验结果,验证了模型的合理性。在此基础上,拓展分析纤维掺量、长径比等参数对超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)受压特性的影响,进一步分析压力作用下纤维增强机理。结果表明:随着钢纤维体积掺量增加,超高性能混凝土损伤发展变缓,单轴受压峰值强度略有提高,峰后延性明显增加;钢纤维长径比对超高性能混凝土受压应力-应变曲线的影响较小,但是更长的纤维更好地发挥了阻裂作用;在超高性能混凝土单轴受压过程中,钢纤维在峰值点前主要发挥骨架作用,在峰值点后主要发挥阻裂作用。

定向钢纤维增强水泥基复合材料断裂细观数值模拟

采用随机生成算法投放钢纤维,建立了随机乱向、定向钢纤维增强水泥基复合材料(SFRC、ASFRC)三点弯曲梁细观有限元数值模型,计算了不同纤维掺量下SFRC试件和ASFRC试件加载断裂的全过程,分析了三点弯曲梁开裂截面处的纤维应力,研究了定向钢纤维的细观增强机理.结果表明:SFRC试件和ASFRC试件荷载-裂缝张开口位移全曲线的模拟值与试验值符合较好,峰值荷载的误差在10%以内;SFRC试件和ASFRC试件的峰值荷载与纤维合力的最大值均随着纤维掺量的增加而增大,当纤维掺量为0.8%、1.2%、2.0%时,ASFRC试件的峰值荷载较SFRC试件提高了75%、111%、141%,纤维合力的最大值较SFRC试件增大了202%、144%、127%;定向钢纤维可以有效改善水泥基复合材料的断裂性能,显著提高钢纤维的利用率,延缓裂缝的扩展.

Abaqus模拟岩石细观破坏在岩石实验教学中的应用

根据岩石具有非均质和多晶粒的特点,基于Abaqus平台结合泰森多边形原理和Cohesive单元耦合方法,利用Python编程实现了岩石非均质性和多晶体的建模。学生可通过该方法模拟真实岩体的破坏实验并能从细观角度了解岩石断裂时晶粒的破坏特征。该模拟实验补充了传统的岩石力学实验,让学生从细观角度了解岩石的破坏机理,有利于培养学生对岩石力学实验的兴趣,提高学生的学习兴致,还有助于增强学生的创新思维。

基于精细化数值模拟的EPS轻质土宏细观变形机理研究

EPS轻质土是双固相组分(水泥土与EPS颗粒)、具有特殊细观结构的混合土。当前对其宏观力学特性研究较多,而对细观力学响应规律研究甚少。为此,分别在Mohr-Coulomb模型和Drucker-Prager模型框架内,基于水泥土和EPS材料试验结果规律总结,发展了二者的简单实用本构模型;基于水泥土和EPS材料界面剪切试验,总结了界面剪切硬化/软化规律;对EPS轻质土三轴剪切试验进行精细化数值模拟,再现了EPS轻质土宏观应力-应变响应规律和试样变形模式。基于精细化模拟分析发现,EPS轻质土的整体剪切、局部鼓胀、整体均匀3种宏观变形模式是细观力学响应的结果,EPS颗粒与水泥土两种材料力学特性的差异引起试样内部应力、应变的非均匀分布,EPS颗粒的非均匀排列强化应力、应变非均匀分布程度,两种因素共同决定试样宏观变形的非均匀性。

沥青混凝土疲劳损伤细观特征分析及数值模拟

对沥青路面的研究往往考虑其宏观性能而忽视了其细观性能的分析,其不能反映沥青混凝土其细观内部结构的应力集中及早期损伤。文章从细观尺度出发,以沥青混凝土的疲劳损伤机理及疲劳损伤演化过程分析沥青混凝土在疲劳损伤过程中其结构细观特征及数值模拟,通过沥青混凝土疲劳损伤细观特征分析及数值模拟结果来指导沥青路面养护维修。

低温下钢纤维混凝土断裂行为细观数值研究

为了探讨钢纤维混凝土材料在低温下的断裂行为,通过有限元分析方法,在细观层次建立了不同钢纤维体积分数(V=0.0%、0.5%和1.0%)的混凝土试块三维数值模型,分别在3个温度点下(T=20℃、−40℃和−80℃)进行了劈裂抗拉强度试验以及三点弯曲加载试验,得到了相应的破坏模式以及荷载-跨中挠度曲线。研究结果表明,混凝土的断裂能随着温度的降低呈增大趋势,且钢纤维体积分数越大,断裂能越大。而混凝土的特征长度随着温度的降低逐渐减小,但纤维的加入很大程度地增大了其特征长度。

纵筋锈蚀无腹筋混凝土梁抗剪性能细观数值研究

以钢筋混凝土梁为研究对象,考虑钢筋非均匀锈蚀膨胀效应,建立三维钢筋混凝土梁剪切破坏分析的数值分析模型.通过多阶段分析方法(钢筋锈蚀阶段,构件性能退化阶段)探索锈蚀对结构力学行为的影响.钢筋的非均匀锈蚀膨胀以施加非均匀径向位移的方式模拟,获得保护层的破坏状态,并以此“最终状态”作为之后混凝土梁静载试验的“初始条件”输入,进而模拟构件的力学行为.在验证了多阶段数值模型合理性的基础上,分析了纵筋锈蚀、剪跨比对无腹筋混凝土梁抗剪性能的影响规律.结果表明,纵筋锈蚀使混凝土梁产生明显的纵向裂缝.纵筋锈蚀率增大,保护层开裂区域增加,梁的抗剪承载力下降严重.另外,剪跨比对梁的抗剪承载力产生影响,剪跨比对未锈蚀梁的影响明显大于对锈蚀梁的影响程度.最后,基于模拟结果对相关设计规范中的抗剪承载力计算公式进行了讨论,发展建立了考虑锈蚀影响的无腹筋混凝土梁抗剪承载力计算方法.

混凝土试件细观结构的数值模拟

本文将常用混凝土级配曲线与三维富勒级配曲线作了对比分析,从而为基于瓦拉文公式的随机骨料模型对试件内截面进行细观结构的数值模拟提供了依据。在此基础上,采用双折线损伤演化模型描述混凝土细观各相弹性损伤退化,利用有限元方法进行了混凝土湿筛试件、全级配试件单轴受压和全级配混凝土三分点梁弯拉细观结构数值模拟。通过单轴受压数值试验讨论了同一级配不同骨料分布、有限元单元尺寸及试件尺寸对极限荷载计算结果的影响。结果显示:(1)同级配不同随机骨料分布的影响在试验结果统计范围之内;(2)为了充分反映混凝土细观特性的非均性,单元尺寸应小于最小骨料粒径的三分之一;(3)湿筛试件与全级配试件数值模拟结果验证了试件的尺寸效应。在全级配混凝土三分点梁弯拉试验的模拟计算中,讨论了界面单元、固化水泥砂浆基底强度及损伤参数对计算结果的影响。通过细观结构数值模拟,直观显示了混凝土试件单轴受压和三分点梁抗弯曲试验在不同加载阶段微裂缝产生、扩展直至失稳的过程,及其宏观应力-应变曲线的变化情况。基于有关文献资料给定的混凝土各相参数得到的数值模拟结果与试验统计结果相符。