基于格構(gòu)模型的混凝土開(kāi)裂過(guò)程多尺度數(shù)值研究.pdf

1、混凝土是一種多相復(fù)合的非勻質(zhì)材料，其開(kāi)裂過(guò)程與內(nèi)部結(jié)構(gòu)密不可分。許多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外大量的研究者致力于水泥基材料開(kāi)裂過(guò)程的研究，提出過(guò)大量的裂縫模型，但基本停留于宏觀層次研究，沒(méi)有深入到材料微觀結(jié)構(gòu)，也很難給出裂縫動(dòng)態(tài)開(kāi)裂過(guò)程。針對(duì)上述問(wèn)題，本文將多尺度方法與格構(gòu)斷裂模型相結(jié)合，首先開(kāi)發(fā)了一種實(shí)時(shí)跟蹤裂縫寬度動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的Python程序算法完成了微觀尺度下水泥漿體格構(gòu)斷裂分析，然后針對(duì)細(xì)觀尺度隨機(jī)骨料投放，提出了采用HYMOSTRUC3D

2、模型快速生成三維隨機(jī)球形骨料模型研究了細(xì)觀尺度砂漿與混凝土的開(kāi)裂過(guò)程。本文主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　采用隨機(jī)度的概念定量描述了水泥基材料不規(guī)則、非勻質(zhì)性質(zhì)，并分析了隨機(jī)度對(duì)格構(gòu)斷裂模擬的影響。結(jié)果表明：隨機(jī)度能夠反映了材料內(nèi)部物相不均勻程度。隨著隨機(jī)度增大，格構(gòu)模型整體彈性模量，抗拉強(qiáng)度以及峰值應(yīng)變均減小。
　　基于格構(gòu)斷裂模型的計(jì)算理論，推導(dǎo)了格構(gòu)模型裂縫寬度理論計(jì)算公式，編寫了MATLAB以及Python程序，將其植入商用

3、有限元計(jì)算軟件ABAQUS中，能夠跟蹤格構(gòu)模型不同應(yīng)力水平下裂縫寬度數(shù)值變化。該程序算法的基本思想為：每次格構(gòu)斷裂計(jì)算中，不從格構(gòu)系統(tǒng)中直接剔除σ/ft比值最大單元，而是設(shè)置為裂縫單元，裂縫單元是指單元的彈性模量數(shù)值設(shè)置為相對(duì)于其他格構(gòu)單元可以忽略不計(jì)，即二者彈性模量的比值趨于0。通過(guò)計(jì)算裂縫單元節(jié)點(diǎn)位移增量得到變形量的精確值，如果每次重新計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)中所有裂縫單元的變形量，那么，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同應(yīng)力水平下裂縫寬度變化跟蹤計(jì)算。本文數(shù)值結(jié)果

4、表明，本算法能夠有效追蹤裂縫寬度動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。
　　在隨機(jī)骨料模型方面，本文利用MATLAB編程進(jìn)行數(shù)字圖像處理，借鑒F. Bernard采用NIST's CEMHYD3D程序代碼生成了砂漿結(jié)構(gòu)模型的方法，提出采用HYMOSTRUC模型快速生成三維隨機(jī)球形骨料模型。這解決了當(dāng)前混凝土數(shù)值模擬中隨機(jī)骨料投放效率低下的問(wèn)題。
　　基于遞階的多尺度建模方法，采用HYMOSTRUC3D模型生成了水泥漿體微觀結(jié)構(gòu)晶格圖像，并離散化為二

5、維晶格圖像建立格構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型。對(duì)微觀尺度下水泥漿體進(jìn)行格構(gòu)系統(tǒng)線彈性有限元計(jì)算。將微觀尺度下得到的水泥漿體本構(gòu)關(guān)系作為細(xì)觀尺度下砂漿格構(gòu)分析的輸入?yún)?shù)，對(duì)細(xì)觀尺度砂漿進(jìn)行非線性有限元計(jì)算，這種非線性是通過(guò)多步迭代降低單元的彈性模量與抗拉強(qiáng)度的方法實(shí)現(xiàn)的。按照這樣的多尺度格構(gòu)斷裂分析方法得到了混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線、裂縫位置分布圖、不同應(yīng)力水平下的裂縫寬度分布等。特別地，從裂縫位置分布圖來(lái)看，裂縫最先在初始孔隙周圍產(chǎn)生，然后逐漸向內(nèi)部擴(kuò)展形成