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)。為了更好地對混凝土材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和安全評估，亟需對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性。對混凝土進(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理。
　　本文首先基于混凝土原位X

2、射線斷層掃描(XCT)試驗獲得的細(xì)觀圖像，建立具有真實細(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類劈裂試驗直接對比驗證，獲得與試驗吻合較好的荷載-位移曲線與裂縫分布。進(jìn)而對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)雜的損傷斷裂過程，反映其細(xì)觀結(jié)構(gòu)對宏觀力學(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、沖擊荷載下的動態(tài)破壞特性。通過蒙特卡洛模擬，從統(tǒng)計意義上研究了應(yīng)變率與細(xì)觀非均質(zhì)對混凝土宏觀動態(tài)力學(xué)特性的影響。提出了考慮均值與標(biāo)準(zhǔn)差的動態(tài)強度放大系數(shù)-應(yīng)變率關(guān)系式，與試驗數(shù)據(jù)及經(jīng)驗公式吻合良好。研究表明，該模型能夠有效地反映與揭示混凝土復(fù)雜的動態(tài)損傷破壞機理，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);動態(tài)抗壓強度與孔洞含量的負(fù)相關(guān)性增強，表明高應(yīng)變率下孔洞對混凝土的劣化效應(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。開發(fā)了SBFE多邊形單元的用戶自定義單元(UEL)子程序，首次實現(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，一個骨料采用一個或少量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，針對含隨機骨料和孔洞的混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)，開發(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，同時其半解析特性又保證了結(jié)果的高精度。通過蒙特卡洛模擬，研究了細(xì)觀非均質(zhì)性

6、對混凝土宏觀等效彈性參數(shù)的統(tǒng)計影響，提出考慮孔洞影響的尺寸效應(yīng)公式，與試驗結(jié)果吻合良好。
　　最后，采用Python編寫程序，利用ABAQUS腳本接口進(jìn)行前處理二次開發(fā)，考慮骨料實際級配，有效地建立了多面體隨機骨料幾何模型并進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。通過自編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展。深入分析材料斷裂參數(shù)（抗拉強度與斷裂能）對荷載-位移曲線