混凝土細(xì)觀數(shù)值仿真及宏細(xì)觀力學(xué)研究.pdf

1、混凝土這種人工復(fù)合材料，其宏觀性能的表現(xiàn)與細(xì)觀構(gòu)造之間的內(nèi)在聯(lián)系目前還很少有人進(jìn)行過系統(tǒng)的研究，本論文先從混凝土材料的細(xì)觀數(shù)值試驗(yàn)和混凝土材料的宏觀力學(xué)參數(shù)估計(jì)入手，考慮界面連接不完好和基體非線性兩個影響宏觀特性的關(guān)鍵性特點(diǎn)建立了混凝土宏細(xì)觀屈服準(zhǔn)則和宏細(xì)觀本構(gòu)模型；進(jìn)一步考察微裂紋這種細(xì)觀結(jié)構(gòu)對宏觀裂紋尖端推動力和阻礙力的影響，建立了混凝土有效斷裂韌度的估算式；最后，研發(fā)了無須重新剖分網(wǎng)格就能模擬裂紋擴(kuò)展的擴(kuò)展有限元法，為混凝土損傷破

2、壞過程的連續(xù)仿真開辟了一條道路。下面簡要敘述這幾個方面所做的工作。 1．采用漸近網(wǎng)格剖分方法建立了三維隨機(jī)骨料分布的細(xì)觀有限元模型，并用它分別進(jìn)行了單軸拉伸、劈裂、單軸壓縮、假三軸(不同圍壓下的壓縮試驗(yàn))和梁彎曲的數(shù)值試驗(yàn)，并對各試驗(yàn)的損傷分布、損傷演化及裂紋發(fā)展整個破壞過程進(jìn)行了追蹤模擬。結(jié)果表明漸進(jìn)網(wǎng)格剖分方法既能保證精度要求又能有效降低計(jì)算規(guī)模，為混凝土的三維細(xì)觀數(shù)值模擬的順利進(jìn)行提供了保證，且細(xì)觀模擬結(jié)果對抓住混凝土的力

3、學(xué)特性提供了分析依據(jù)； 2．通過所建立的三維隨機(jī)骨料分布的細(xì)觀有限元數(shù)值模型，分別施加靜水壓力和軸對稱剪切型應(yīng)力兩種外力工況，在應(yīng)變能等效的原則下，由數(shù)值計(jì)算結(jié)果估算出混凝土有效體積彈性模量和有效剪切彈性模量，為混凝土有效彈性模量提供了一種數(shù)值估算方法。 3．結(jié)合Zhong z的思路，運(yùn)用疊加原理建立起非完好連接界面的平均Eshelby張量，并把Mori-Tanaka的估算方法擴(kuò)展到非完好界面材料的宏觀有效模量估算上來；

4、運(yùn)用新建立的估算方法考察了有效模量與骨料百分比、界面柔度系數(shù)和不完好界面占有率之間的關(guān)系，得出有效模量隨骨料的增多而增大，隨界面柔度的增大而減小的結(jié)論；另外還得出除界面切向柔度的變化并不影響有效體積模量的變化外，其余都是有效模量隨界面柔度增大而逐步遞減直至最終趨向穩(wěn)定的結(jié)論。 4．把能量密度支函數(shù)的概念擴(kuò)展到含有非完好連接界面的混凝土中去，并構(gòu)造一函數(shù)逼近序列來解決屈服邊界不可導(dǎo)的問題，最終建立了有效摩擦系數(shù)這樣一個強(qiáng)度參數(shù)的細(xì)

5、觀表達(dá)式和一個宏細(xì)觀D-P屈服準(zhǔn)則模型。 5．把P.Ponte Castaneda變分結(jié)構(gòu)方法擴(kuò)充到非完好連接界面的混凝土宏觀非線性性質(zhì)的估算上去，并構(gòu)建了一個連續(xù)光滑的能反映軟化段的冪指函數(shù)用來表征基體的非線性本構(gòu)關(guān)系。P.Ponte Castaneda變分結(jié)構(gòu)方法最終涉及到一個優(yōu)化問題，為了使優(yōu)化能夠順利進(jìn)行，本論文采取分階段的單變量優(yōu)化，即首先假定混凝土基體不可壓縮，從而僅通過選取線性參照基體的剪切模量來建立不可壓縮基體的

6、混凝土本構(gòu)關(guān)系，同樣，可通過選擇線性參照基體的剪切模量來建立含孔洞的基體本構(gòu)關(guān)系，然后，再優(yōu)化含孔洞基體的剪切模量，最終建立了混凝土的宏細(xì)觀本構(gòu)關(guān)系。通過建立的混凝土宏細(xì)觀本構(gòu)關(guān)系發(fā)現(xiàn)，混凝土基體內(nèi)部含有微孔洞是混凝土發(fā)生剪脹的一個深層次原因。 6．采用迭加原理和M.Kachanov提出的簡化方法研究了不同裂紋布置形式所產(chǎn)生的作用效應(yīng)，并用有限元方法驗(yàn)證了其有效性。結(jié)果表明微裂紋沿主拉應(yīng)力的方向布置時并不產(chǎn)生最大的屏蔽效應(yīng)，甚至

7、大部分還產(chǎn)生增強(qiáng)效應(yīng)，這有別于M.Oniz的結(jié)論；另外，微裂紋按垂直于主拉應(yīng)力方向布置時也不產(chǎn)生最大的增強(qiáng)效應(yīng)，甚至有些還產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)?？傊?，當(dāng)微裂紋沿著或者垂直于最大拉應(yīng)力方向布置時都不產(chǎn)生最大的作用效應(yīng)。 7．運(yùn)用強(qiáng)度理論確定微裂紋區(qū)所包含的范圍，并假定微裂紋在此范圍內(nèi)是均勻隨機(jī)分布的，但微裂紋的取向隨位置而確定，即沿垂直于主拉應(yīng)力方向布置?；诹鸭y間的相互作用機(jī)制探討了微裂紋群對主裂紋尖端產(chǎn)生的作用效應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在推動力

8、方面(應(yīng)力強(qiáng)度因子表示)，微裂紋區(qū)對主裂紋起著增強(qiáng)的作用，增強(qiáng)程度隨微裂紋密度和微裂紋長度的增大而增大。阻礙力方面，首先對微裂紋區(qū)的有效彈性模量進(jìn)行了估算，然后把各向異性的微裂紋區(qū)的彈性矩陣估算式代入斷裂韌度的表達(dá)式中，獲得了有效斷裂韌度的一個表達(dá)式。 8．在擴(kuò)展有限元的基本思想下，提出一類附加位移形函數(shù)——指數(shù)型間斷函數(shù)，來模擬由裂紋或節(jié)理等非連續(xù)結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的位移不連續(xù)性規(guī)律，該附加函數(shù)是以到間斷處的垂直距離為自變量，且具有隨