三维刚体弹簧元法在RC深梁抗剪性能尺寸效应评价中的应用

选取典型的钢筋混凝土(RC)深梁受剪试验,开发并运用三维刚体弹簧元法(3D RBSM)模拟了大尺寸截面深梁的受剪破坏过程,以及箍筋对深梁抗剪性能的影响。结果表明,3D RBSM不仅能够较准确地计算RC深梁的开裂荷载、名义抗剪强度以及箍筋的增强作用,而且能够模拟裂缝的开展以及构件的破坏。相比于有限元法,3D RBSM具有以下优势:大幅度提高了名义抗剪强度的计算精度,实现了散布裂缝模拟的可视化以及混凝土裂缝宽度的直观、定量评价;能够更好地捕捉峰值荷载后的软化行为。因此,3D RBSM为大尺寸截面深梁的受剪破坏模拟、明晰抗剪性能尺寸效应机理和完善大尺寸RC构件设计提供了有效研究手段。

高强箍筋对普通混凝土梁抗剪性能的影响机理

为明确高强箍筋普通混凝土梁的抗剪机制,采用三维刚体弹簧元对比评价了普通箍筋梁和高强箍筋梁的抗剪承载力、破坏模式、临界斜裂缝特征、极限变形能力等抗剪性能的异同。结果表明:高强箍筋(HRB500)替代普通箍筋(HRB235)对抗剪承载力和变形能力的提升不显著(<6%和13%)。该文进一步定量分析了梁拱抗剪模型对各混凝土梁在各加载阶段的抗剪贡献,发现混凝土梁破坏时,梁模型主要由箍筋的抗剪作用V_(s)支配,而拱模型主导抗剪承载力,是关键抗剪模型。对比普通箍筋,高强箍筋(屈服强度:900 MPa)使V_(s)增强29.7%,但是由于拱模型的峰值取决于加载点附近破坏区域的混凝土抗压强度,对拱模型的提升作用不显著(<11.0%)。研究结果还证明:现行的混凝土构件抗剪设计采用荷载试验的承载力下限值,保证了混凝土结构的安全,但是由于未能合理评价梁拱抗剪模型,割裂了拱模型与混凝土总贡献、配箍率的关系,具有一定的改善空间。

轴压比对RC短柱受剪性能的影响机理

为了研究轴压比对钢筋混凝土短柱受剪性能的影响机理,应用三维刚体弹簧元法模拟了不同轴压比短柱在单调及循环荷载作用下的破坏过程,并结合梁-拱抗剪机制模型和开裂变形模式对受剪性能进行了分析。研究结果表明:随着循环次数的增加,抗剪承载力逐渐退化,轴压比的增大加剧了退化趋势,这主要是高轴压比使短柱发生更加明显的脆性破坏,产生了更多裂缝,从而使梁机制中混凝土抗剪作用急剧退化。

三峡库区塌岸预测新方法——岸坡结构法

水库塌岸是三峡库区重大地质灾害之一。通过三峡库区数百段库岸的塌岸地质现场调查和预测分析的基础上,提出了类似三峡这种山区河道型水库的塌岸预测新方法——岸坡结构法(RBSM),并给出了详细的图解方法和预测步骤。同时,开展了二滩、宝珠寺和龚咀三个运行中的类比水库和三峡水库(139m蓄水)的塌岸预测检验,验证结果表明该方法适宜于三峡水库以及类似的山区河道型水库塌岸预测,从而为水库塌岸预测与防治工程提供重要依据。

基于刚体─弹簧模型的混凝土微裂纹行为模拟

本文在细观上将混凝土看成是由粗骨料颗粒与硬化水泥浆体组成的两相非均质复合材料，以随机颗粒模型代表混凝土的细观结构，研究了一种对随机颗粒模型结构进行全自动网格剖分的方法，采用适宜处理微裂纹行为的刚体一弹簧模型（RigidBodySpringModel），探讨了预先存在的微裂纹对混凝土性能的影响，建立起混凝土的细观结构与宏观性能之间的关系，同时也对混凝土在拉伸荷载下的裂纹传播行为进行了研究。

用刚体弹簧元法研究全级配混凝土力学性能

提出了采用刚体弹簧元法在细观层次上对全级配混凝土的力学特性及破坏机理进行数值研究的方法．该方法首先根据全级配混凝土骨料级配曲线和Walraven函数,使用蒙特卡罗随机理论建立起考虑细观各相力学特性分布不均匀性的随机骨料结构,并对其进行三角形或任意多边形的网格剖分;然后应用刚体弹簧元模型,对全级配混凝土在单轴及双轴荷载下的变形和力学性能进行了系统性的数值试验,并探讨了不同骨料级配及试件尺寸对混凝土力学性能的影响．与实际试验结果的比较表明运用该方法数值模拟全级配混凝土的力学性能是可行的．

复杂裂隙岩体水–力耦合模型及溶质运移模拟

在刚块弹簧法中引入非线性的裂隙本构关系,同时考虑裂隙法向的非线性应力变形关系、切向的剪切滑动以及剪胀效应,使得该方法可以较为真实地模拟裂隙开度在复杂应力作用下的变化。结合离散裂隙网络方法,建立采用隐式求解的复杂裂隙岩体的水–力耦合模型。该模型显式考虑裂隙存在,能很好地模拟裂隙网络在应力和渗流作用下的演化特征。在水力耦合达到平衡状态后,进行溶质运移分析,采用粒子追踪法模拟溶质在裂隙网络中随渗流的运移过程。根据所提出的模型编制相应程序,对DECOVALEX项目中的典型算例进行分析,研究不同应力条件对渗流以及溶质运移结果的影响以及不同应力条件下水力耦合的控制性机制。研究发现,低应力比条件和高应力比条件下对水力耦合作用起控制作用的分别是法向应力变形关系和剪胀效应。通过对比分析,验证模型的合理性。在此基础上,讨论高水头条件下考虑水力耦合效应的必要性。

基于二极管钳位逆阻型双子模块的MMC直流故障自清除策略

针对传统半桥子模块无法实现直流故障电流阻断功能的问题,设计了一种二极管钳位逆阻型双子模块结构（D-RBSM）。在详细分析该子模块的直流故障清除机制,并与其他拓扑结构进行经济效益对比后,通过在MATLAB/Simulink环境下搭建仿真模型对该子模块拓扑的正确性和有效性进行验证。结果表明,二极管钳位逆阻型MMC能够实现对直流故障电流的闭锁,同时可有效降低RB-IGBT对触发脉冲同时性的严格要求,提高系统的安全系数。

传热场问题的界面元法

用界面元法求解场问题，导出了求解三维不稳定温度场的界面元计算公式，这些公式适用于连续及不连续温度场，能反映介质可能存在的温度不连续性，较以往数值方法具有精度高、基本未知量少、适用于任意形状单元的优点，为温度场与位移场、应力场的耦合奠定了基础．

基于刚体弹簧元法的全级配混凝土本构特性模拟

在细观层次上把混凝土看作是由粗骨料、硬化水泥砂浆基体组成的两相非均质复合材料,采用适宜极限分析及处理微裂纹行为的刚体弹簧元法,研究了不同的组成成分对材料参数的影响。

板弯曲问题及振动问题的刚体界面元法

提出一种适用于厚、薄板弯曲及振动问题的矩形刚体界面元法。该法不要求场变量C^0,C^1连续,计算简单,算例表明,算法是可行的。

逆螺旋传动机构中螺旋轴的四轴联动数控加工

逆螺旋装置是一种具有广泛应用前景的新型传动机构。为避免在传动过程中钢球之间相互挤压和碰撞,在螺旋轴上常采用曲面凹坑与钢球配合的方式传动,但这给加工制造带来不便。以逆螺旋传动机构中的螺旋轴为研究对象,提出对其采用四轴联动数控加工方法加工,并通过VER ICUT软件进行加工仿真验证,实践证明该方法具有低耗、高效的优点,值得推广。

长江三峡库区巴东县王家咀至观音桥段塌岸模式与预测

三峡库区巴东段是岸坡塌岸的高发区,塌岸灾害在很大程度上影响了库区的安全生产生活。通过实际调查,选取深厚松散堆积层浅表部滑移型塌岸、沿基-覆界面滑移型塌岸、基岩崩塌型塌岸、沿结构面滑移型塌岸、冲刷浪坎型塌岸五种多发易发的典型塌岸进行研究,分析发生塌岸的斜坡地质环境条件及其塌岸后的形态特征。运用岸坡结构法与卡丘金法对典型塌岸进行预测,结果显示岸坡结构法更适用于山区水库的塌岸预测。通过实际调查发现,研究区内土质岸坡的稳定坡角在26°左右,该值可为巴东段岸坡塌岸预测与防治工程提供参考。

混凝土细观单元本构关系研究

通过劈裂和剪切试验得到砂浆-骨料复合试件界面的粘结抗拉强度,界面的I型断裂特征通过三点弯曲试验得到。并采用改进的J积分方法,利用试验结果提出了砂浆-骨料界面的拉伸软化曲线模型。另外,将光纤传感器分别埋置于砂浆中和粘贴在骨料表面,测量单轴受压试验中砂浆、骨料的变形过程及二者间的相对滑移值,从而建立了砂浆-骨料界面的粘结滑移本构关系曲线。同时,根据试验及分析结果,提出了砂浆-骨料界面的细观力学本构关系,为数值模拟提供了可靠的分析模型。

混凝土楔入劈拉和三点弯曲断裂过程的细观数值模拟

基于离散元思想和Voronoi单元划分技术,利用混凝土细观刚体弹簧元模型,开展了混凝土楔入劈拉试件和三点弯曲切口梁的断裂过程数值仿真分析。从裂缝开展过程、试件破坏形态、荷载-张口位移曲线(P-CMOD)和断裂能等方面,将数值分析结果与已有的试验结果进行了对比。结果表明,细观刚体弹簧元法较准确地模拟了混凝土楔入劈拉试件和三点弯曲切口梁断裂过程。最后,分析了缝高比和骨料体积含量对混凝土断裂过程的影响规律,发现断裂能随骨料体积含量呈单调递增趋势。

单轴压缩下不同裂隙张开度岩石破坏数值模拟

为了研究不同张开度裂隙岩体单轴压缩过程中的力学特性,以裂隙试样室内试验结果标定岩体细观参数,采用改进刚体弹簧元法对不同张开度裂隙试样压缩破坏过程进行数值模拟。结果表明:试件峰值强度随着裂隙张开度的增大表现出先增大后减小,最后维持稳定的规律;根据微裂纹起裂位置,将不同张开度裂隙岩体破坏模式总结为3类,并得出最终失稳破坏本质上都是由张拉所致的结论;随轴向应变增加,试件内部微裂纹的发育速度逐渐提高,但剪切裂纹数量远小于张拉裂纹;最后通过位移场演化规律从细观层面揭示了微裂纹开裂的力学机理。

含预制裂隙的均质岩石巴西劈裂过程数值模拟

基于改进刚体弹簧方法,对均质圆盘试件和预制裂隙圆盘试件的巴西劈裂过程进行了数值模拟,并对比研究了预制裂隙对巴西劈裂破坏形态的影响。结果表明,均质圆盘的巴西劈裂过程分为三个阶段,即加载端开始向下萌生随机裂隙点;裂隙点之间联结发育;主裂隙贯穿试件造成破坏,次生裂隙发育。对于预制裂隙圆盘试件,不同预制裂隙倾角试件的破坏形式基本一致,由于应力集中,裂纹首先从预制裂隙两端萌生,并向加载端扩展,宏观裂纹形成的同时在加载端部也开始产生次生裂隙,次生裂纹的产状随预制裂隙倾角变化而不同。

刚体弹簧元法对钢筋混凝土悬臂梁剪切破坏尺寸效应的模拟应用

为了研究刚体弹簧元法对钢筋混凝土构件在循环往复荷载作用下剪切性能尺寸效应研究的适用性与准确性,在平面二维刚体弹簧元模型的基础上,将其发展至三维,并应用于钢筋混凝土悬臂梁尺寸效应研究中。通过对比试验结果与数值模拟结果,分析了钢筋混凝土悬臂梁在循环往复荷载下的滞回性能、开裂变形等特征。结果表明:三维刚体弹簧元法能够较好地模拟不同尺寸的钢筋混凝土悬臂梁在循环往复荷载下的剪切性能,模拟得到的承载力、延性变形等和已有文献试验结果基本相符;循环往复荷载作用下的钢筋混凝土悬臂梁表现出明显的尺寸效应。

含张开单裂隙砂岩破裂过程围压效应的数值模拟

为研究不同倾角裂隙砂岩试样在压缩过程中的围压效应,以室内单轴压缩试验结果标定岩体细观参数,采用改进刚体弹簧元法对不同倾角裂隙试样在不同围压下的破坏过程进行模拟。基于模拟结果,研究了围压对岩样强度、破坏模式及微裂纹发育特征的影响。结果表明,裂隙砂岩试样在压缩过程中具有明显的围压效应,相同裂隙倾角试样,其峰值强度、残余强度、弹性模量和变形模量均表现出随围压增加而增加的规律;不同围压作用下,不同倾角裂隙试样内部微裂纹演化规律相似,且其最终破坏形态均表现出以剪切破坏为主的破裂方式。

基于改进刚体弹簧方法的裂隙岩体最佳长径比研究

采用改进刚体弹簧方法虚拟实现单轴压缩试验,对不同长径比0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5的裂隙砂岩试样进行数值压缩模拟,研究长径比对裂隙岩石试样破坏过程、应力-应变曲线、峰值强度和破坏形态的影响。结果表明：不同长径比裂隙试样均从预制裂隙端部起裂,随着长径比的增大,裂隙试样大致经历了劈裂-锥形劈裂-剪切破裂的过程,且其内部张拉裂隙数量远远大于剪切裂隙。通过尺寸效应的研究得出单轴压缩试验试样的最佳长径比为2.5~3.0。