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基于XFEM超高韧性水泥基复合材料裂纹扩展的数值模拟分析

李魏魏  
【摘要】:混凝土是实际生产中不可或缺的建筑材料,随着生产的需要,高性能混凝土发挥越来越重要的作用。其中,超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)的研究也引起人们的重视。超高韧性水泥基复合材料通过优化基体、纤维、纤维与基体界面的基本性能以及三者之间的相互作用,使得该材料在纤维掺量很少的情况下,具有多缝开裂和应变硬化的特点。近几十年来,国内外学者对UHTCC在静力和动载方面对裂缝开展和断裂韧度方面做了很全面和详细的试验研究,但是对UHTCC断裂方面的仿真研究尚少,目前使用主要方法是扩展有限元(XFEM)法。扩展有限元(XFEM)是在常规有限元框架上求解不连续问题的有效数值模拟方法。其网格划分、材料尺寸与表面物理状态无关,对解决裂纹尖端高应力区和变形区的网格加密复杂问题有着无可比拟的优势,在动态裂纹扩展的历程中也不需要随裂纹扩展更新网格。本文结合单轴拉伸试验研究结果并利用软件模拟优势,对UHTCC的裂纹扩展进行仿真分析并与试验结果对比,主要研究内容包括了以下几个方面。1) UHTCC单轴直接拉伸试验研究通过采用尺寸为305 mm× 76 mm× 13 mm的试件进行纤维掺量和普通水泥基的单轴直接拉伸试验,研究材料的应变硬化现象和纤维掺量对基体的增韧效果,并计算UHTCC试件的断裂能。(1)使用一定掺量的纤维混凝土比普通混凝土有较好的韧性,随着纤维掺量的不同,出现不同程度的应变硬化现象。当纤维掺量为2%,应变硬化现象最为明显,受力比较均匀。当掺加一定量纤维时,混凝土的破坏不再是脆性破坏,并在主裂缝周围出现许多微细裂缝。(2)由试验得出的应力-裂缝宽度曲线,根据曲线包围的面积,以2%纤维掺量试件(5AF-2)为例,计算出其断裂能为11190N/m。2)三点弯曲梁静载试验研究了 PVA纤维的掺入、尺寸效应、缝高比等因素对试件的断裂性能影响和裂缝扩展的现象,利用双K断裂准则,分析其起裂荷载、峰值荷载、起裂韧度和失稳断裂韧度。(1)对于纤维水泥基体试件,同一尺寸,同一配合比试件,初始缝高比越大,起裂荷载和峰值荷载越小,起裂韧度几乎不随缝高比的增大发生变化,失稳断裂韧度在一定程度上有所降低。对于无纤维掺量水泥基随着初始缝高比的增加,其起裂韧度和失稳断裂韧度增幅并不明显,呈现一定的离散性。(2)同一配合比,同一缝高的纤维混凝土基体,当试件尺寸变大时,相应的起裂韧度和失稳断裂韧度也会明显增加。3)利用XFEM方法模拟研究UHTCC三点弯曲梁的不同缝高比的裂纹扩展规律和断裂性能,并将模拟结果与试验结果对比分析,验证利用XFEM模拟UHTCC断裂问题的可行性,得到以下结论:(1)通过后处理的应力云纹图,在裂缝未起裂前,在预制缝的尖端部分有较明显的应力集中现象,当裂缝扩展时应力集中现象消失,并且随着缝高比的增加,应力集中现象更加明显。(2)在一定的缝高比范围内,同一尺寸的UHTCC试件梁,随着缝高比的增加,起裂韧度影响较小,失稳断裂韧度逐渐变小,试验测出的起裂荷载、峰值荷载与模拟计算得出相差不大,根据起裂荷载、峰值荷载计算出的起裂韧度和失稳断裂韧度离散性较小。因此,利用ABAQUS中的扩展有限元(XFEM)分析UHTCC的断裂性能具有一定的可行性。


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