脆性無序介質(zhì)損傷破壞全過程的數(shù)值模擬.pdf

1、本文用梁—顆粒模型BPM(Bem-ParticleModel)對脆性無序介質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)和破壞過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。梁—顆粒模型BPM是在離散單元法基礎(chǔ)上，結(jié)合有限單元法中的梁模型提出的。梁—顆粒模型中，材料在細(xì)觀層次上被離散成顆粒單元集合體，相鄰顆粒單元由有限單元法中的彈脆性梁單元連接。根據(jù)所模擬材料的性質(zhì)，在模型中不同位置處生成兩種不同性質(zhì)的顆粒單元。由梁單元所連接的顆粒單元的性質(zhì)，可以將梁單元分為三種類型：增強(qiáng)梁單元、連接梁單元和

2、界面梁單元。梁單元類型不同，其性質(zhì)(彈性模量、強(qiáng)度等)也不同。如增強(qiáng)梁單元的強(qiáng)度最大，連接梁單元的強(qiáng)度最小。在模型中，三種類型梁單元隨機(jī)分布以模擬脆性無序介質(zhì)力學(xué)參數(shù)的空間變異性。梁單元的力學(xué)性質(zhì)根據(jù)Weibull分布隨機(jī)賦值以在細(xì)觀層次上反映脆性無序介質(zhì)的非均勻性。介質(zhì)中的裂縫可通過斷開梁單元模擬。 根據(jù)混凝土試件單軸拉伸、三點(diǎn)彎曲和單軸壓縮的物理模型和相關(guān)文獻(xiàn)中的試驗(yàn)條件，用二維梁—顆粒模型BPM2D(Beam-Partic

3、leModelinTwoDimensions)模擬了在單軸拉伸、三點(diǎn)彎曲和單軸壓縮條件下混凝土內(nèi)部微裂紋的萌生、擴(kuò)展直至試件宏觀破壞的全過程。數(shù)值模擬結(jié)果給出了在單軸拉伸和單軸壓縮條件下混凝土數(shù)值試件應(yīng)力—應(yīng)變曲線，以及三點(diǎn)彎曲條件下混凝土數(shù)值試件載荷—撓度曲線，并對混凝土試件在上述三種載荷條件下的破壞過程和最大應(yīng)力分布情況進(jìn)行了圖形顯示。數(shù)值模擬結(jié)果表明，混凝土應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€形狀與試件中裂紋發(fā)展過程密切相關(guān)。在外載荷作用下混凝土破壞

4、過程實(shí)質(zhì)上是微裂紋萌生、擴(kuò)展、貫通以至宏觀裂縫產(chǎn)生導(dǎo)致混凝土失穩(wěn)斷裂或崩潰的過程，這個過程可以在應(yīng)力—應(yīng)變(或載荷—撓度)全曲線上宏觀地反映出來。在拉伸和三點(diǎn)彎曲條件下混凝土裂紋尖端的拉應(yīng)力集中是裂紋擴(kuò)展的動力。混凝土材料細(xì)觀力學(xué)性質(zhì)分布的無序性是造成裂紋擴(kuò)展路徑曲折以及材料宏觀應(yīng)力—應(yīng)變曲線非線性的重要原因。 梁—顆粒模型中引入與應(yīng)變率相關(guān)的破壞準(zhǔn)則，并將其成功應(yīng)用于混凝土動態(tài)破壞問題數(shù)值模擬研究。對具有不同初始沖擊速度動能彈

5、侵徹和貫穿條件下混凝土靶板動態(tài)破壞過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，討論了動能彈不同頭部形狀對侵徹和貫穿過程的影響，并對混凝土內(nèi)部裂紋萌生和擴(kuò)展、應(yīng)力波傳播以及速度場變化過程進(jìn)行了圖形顯示。數(shù)值模擬結(jié)果表明，混凝·Ⅱ·土動態(tài)破壞形式與彈體沖擊速度密切相關(guān)。 在二維梁—顆粒模型的基礎(chǔ)上建立了三維梁—顆粒數(shù)值模型，并開發(fā)了三維計算機(jī)程序BPM3D(Beam-ParticleModelinThreeDimensions)。用三維梁—顆粒離散元模型對

6、脆性無序介質(zhì)斷裂強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，數(shù)值模擬結(jié)果與Bazant提出的脆性介質(zhì)尺寸效應(yīng)律吻合良好。數(shù)值模擬結(jié)果表明，脆性無序介質(zhì)細(xì)觀力學(xué)性質(zhì)分布的無序性是造成宏觀應(yīng)力—應(yīng)變曲線非線性的根本原因，其宏觀力學(xué)行為與其細(xì)觀結(jié)構(gòu)之間有緊密聯(lián)系。 參照相關(guān)文獻(xiàn)中巖石試件單軸拉伸和單軸壓縮試驗(yàn)條件，用三維梁—顆粒離散元模型BPM3D模擬了巖石單軸拉伸和單軸壓縮試件微裂紋的萌生、擴(kuò)展直至試件宏觀破壞的全過程。數(shù)值模擬結(jié)果給出了巖石

7、數(shù)值試件單軸拉伸和單軸壓縮應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€，并對巖石數(shù)值試件裂紋萌生、連接、擴(kuò)展過程進(jìn)行了圖形顯示。通過對數(shù)值模擬結(jié)果的分析，揭示出巖石應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€形狀與試件中裂紋發(fā)展過程密切相關(guān)，在外載荷作用下巖石破壞過程實(shí)質(zhì)上是微裂紋萌生、擴(kuò)展、貫通以至宏觀裂縫產(chǎn)生導(dǎo)致巖石失穩(wěn)斷裂或崩潰的過程。 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比分析顯示，二者表現(xiàn)出良好的一致性，從而表明梁—顆粒模型不僅可以精確模擬混凝土、巖石等脆性無序介質(zhì)準(zhǔn)靜態(tài)破壞過程，而