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碳纳米管增强混凝土复合材料力学特性的有限元分析

唐一丹  
【摘要】:混凝土材料是用量最多,使用最广泛的建筑材料。由于混凝土材料存在抗拉强度低、变形能力差、自重大等缺点,使得混凝土结构在使用过程中产生各种裂缝,从而影响整个建筑结构的强度。碳纳米管是至今为止发现的力学性能最好的材料之一,其优异性能强有力的支持了碳纳米管材料在混凝土材料中的应用研究。碳纳米管作为填充混凝土复合材料微孔隙的纳米材料,具有增强增韧效果。在混凝土中掺入少量碳纳米管,能显著提高混凝土的强度、韧性及耐久性。本文运用Material Studio和ANSYS软件对碳纳米管增强混凝土复合材料的界面结合强度、界面应力分布、宏观弹性模量及其自感知性能进行数值模拟,具体如下:(1)采用Material Studio软件建立碳纳米管模型以及碳纳米管吸附混凝土中主要大分子的模型,采用Dmol3模块进行模拟计算,计算出碳纳米管与分子之间的吸附能,并计算模型在拉压形变作用下的吸附能。结果表明:碳纳米管对各分子吸附能均为正数,说明碳纳米管与各分子的接触面接触良好,即碳纳米管与混凝土的界面结合强度较高。(2)运用有限元模拟软件ANSYS中APDL命令流程序建立三维碳纳米管增强混凝土复合材料随机分布模型,模拟了碳纳米管增强混凝土复合材料在拉伸压缩形变作用下的von Mises应力和第一主应力分布,以及碳纳米管与基体界面的正应力和剪应力的应力分布。结果表明:碳纳米管承受了较大的von Mises应力和第一主应力,在复合材料中起增强作用。基体上部的应力值相对较大,下部的应力值相对偏小。(3)采用ANSYS软件建立不同长径比以及不同体积百分数时的碳纳米管增强混凝土复合材料模型,预测弹性模量。结果表明:随着碳纳米管体积百分数的增大,长径比对弹性模量的影响逐渐提高。随着体积分数的增高复合材料弹性模量升高。(4)运用ANSYS软件模拟盾构隧道管片的内力图及应力云图,模拟了碳纳米管混凝土复合材料作为传感器在盾构管片中的应力云图。结果表明:盾构管片最易发生破坏的位置为管片的腰部、顶部和底部。盾构管片中的传感器上部和下部与盾构管片界面处最易发生塑性变形,易发生断裂及脱粘。


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