基于XCT圖像和比例邊界有限元法的混凝土細(xì)觀斷裂模擬.pdf

1、混凝土是目前工業(yè)與民用結(jié)構(gòu)中最主要的工程材料，廣泛應(yīng)用于各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。為了更好地對(duì)混凝土材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全評(píng)估，亟需對(duì)混凝土材料的多尺度力學(xué)特性進(jìn)行系統(tǒng)研究。在細(xì)觀尺度上，混凝土是一種由骨料、砂漿、孔洞等組成的多相復(fù)合材料，其細(xì)觀結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性導(dǎo)致了其宏觀力學(xué)行為的非線性和隨機(jī)性。對(duì)混凝土進(jìn)行細(xì)觀模擬十分必要，這有助于探究各相與宏觀力學(xué)行為之間的關(guān)聯(lián)，以深入理解復(fù)雜的混凝土損傷斷裂機(jī)理。
　　本文首先基于混凝土原位X

2、射線斷層掃描(XCT)試驗(yàn)獲得的細(xì)觀圖像，建立具有真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，采用連續(xù)損傷塑性模型進(jìn)行損傷斷裂模擬，并與原位XCT類(lèi)劈裂試驗(yàn)直接對(duì)比驗(yàn)證，獲得與試驗(yàn)吻合較好的荷載-位移曲線與裂縫分布。進(jìn)而對(duì)單軸受壓與受拉工況進(jìn)行模擬，結(jié)果也表明該模型能夠有效地模擬混凝土內(nèi)部復(fù)雜的損傷斷裂過(guò)程，反映其細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀力學(xué)特性的影響，揭示裂縫形成與發(fā)展的細(xì)觀機(jī)理。
　　其次，采用基于XCT圖像的細(xì)觀混凝土模型，研究了混凝土在不同應(yīng)變率

3、沖擊荷載下的動(dòng)態(tài)破壞特性。通過(guò)蒙特卡洛模擬，從統(tǒng)計(jì)意義上研究了應(yīng)變率與細(xì)觀非均質(zhì)對(duì)混凝土宏觀動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的影響。提出了考慮均值與標(biāo)準(zhǔn)差的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度放大系數(shù)-應(yīng)變率關(guān)系式，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)公式吻合良好。研究表明，該模型能夠有效地反映與揭示混凝土復(fù)雜的動(dòng)態(tài)損傷破壞機(jī)理，隨著應(yīng)變率的提高，裂縫傾向于連通試件內(nèi)部孔洞，形成彌散的復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò);動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與孔洞含量的負(fù)相關(guān)性增強(qiáng)，表明高應(yīng)變率下孔洞對(duì)混凝土的劣化效應(yīng)更加顯著。
　　第三，提出

4、了一種高效的有限元法(FEM)與比例邊界有限元法(SBFEM)的耦合方法用于細(xì)觀混凝土斷裂的模擬。開(kāi)發(fā)了SBFE多邊形單元的用戶自定義單元(UEL)子程序，首次實(shí)現(xiàn)了半解析的SBFEM在ABAQUS中的應(yīng)用。由于SBFE多邊形（子域）的形狀十分靈活，一個(gè)骨料采用一個(gè)或少量SBFE多邊形模擬，而且多邊形僅在骨料邊界離散，這大大減少了自由度;SBFEM解的半解析特性也保證了計(jì)算精度。另外，砂漿采用傳統(tǒng)FE單元模擬，砂漿中和骨料-砂漿界面上的

5、裂縫擴(kuò)展由離散粘結(jié)裂縫單元模擬。若干典型算例證明了FE-SBFE耦合方法在混凝土細(xì)觀非線性斷裂模擬的有效性。
　　第四，針對(duì)含隨機(jī)骨料和孔洞的混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了全SBFE多邊形網(wǎng)格生成程序，提出了基于SBFEM的細(xì)觀混凝土均勻化算法。利用SBFEM的半解析特性，推導(dǎo)了體積平均應(yīng)力的半解析積分形式。結(jié)果表明，基于SBFEM的均勻化方法顯著降低了自由度數(shù)量，同時(shí)其半解析特性又保證了結(jié)果的高精度。通過(guò)蒙特卡洛模擬，研究了細(xì)觀非均質(zhì)性

6、對(duì)混凝土宏觀等效彈性參數(shù)的統(tǒng)計(jì)影響，提出考慮孔洞影響的尺寸效應(yīng)公式，與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。
　　最后，采用Python編寫(xiě)程序，利用ABAQUS腳本接口進(jìn)行前處理二次開(kāi)發(fā)，考慮骨料實(shí)際級(jí)配，有效地建立了多面體隨機(jī)骨料幾何模型并進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。通過(guò)自編C++程序在多面體骨料-砂漿界面上以及砂漿中高效插設(shè)零厚度的離散粘結(jié)裂縫單元，基于ABAQUS成功模擬了三維裂縫的起裂與擴(kuò)展。深入分析材料斷裂參數(shù)（抗拉強(qiáng)度與斷裂能）對(duì)荷載-位移曲線