混凝土破坏过程的数值模拟研究

【摘要】： 混凝土是一种复杂的多相非均质材料。对混凝土材料的力学性质及破坏过程的研究对于结构工程、地下工程以及采矿工程等都有重要的意义。有关混凝土力学特性的力学模型都是基于混凝土材料的宏观层次研究其力学特性，其主要特点是把材料理想化为均质材料进行研究，把实验室尺度下力学试验的结果作为材料的力学参数，以此为基础进行更大尺度宏观结构的力学响应分析。实验室的实验结果，往往也代表一定尺寸非均匀性结构材料的平均力学响应。这种简化对于研究混凝土工程结构及进行稳定性的数值分析是非常必要的，但是却难于研究混凝土材料在外荷载作用下裂纹萌生、扩展及贯通而导致的由细观层次到宏观层次的损伤和断裂过程。目前，国际上对于混凝土材料力学性能的研究已经开始从经典的宏观尺度转向更细微的细观尺度，建立了一些用于混凝土断裂过程模拟的数值模型。但是，这些模型还不是很完善。而在国内，这个方面的研究较少。 本文从混凝土材料的细观结构入手，建立了混凝土的梁-颗粒数值模型，对混凝土的破坏过程进行了数值模拟。为了反映材料的非均匀性，本文假设混凝土是由砂浆基质、粗骨料及粘结界面组成的三相复合材料。用两种颗粒单元(分散颗粒单元和基体颗粒单元)和三种梁单元(分散梁单元、基体梁单元及界面梁单元)来模拟混凝土的力学性质。在数值模拟时，通过对不同单元赋以满足Weibull分布的力学参数即可在数值上对混凝土这一典型非均质材料进行表征。 本文建立了混凝土的梁-颗粒数值模型，并利用该模型进行了混凝土在单轴压缩和拉伸载荷作用下，混凝土从微裂纹的萌生、扩展、贯通直到宏观裂纹产生导致破坏的全过程的数值模拟，探讨了混凝土材料细观结构对其宏观力学行为的影响；利用该数值模型，模拟了钢弹以一定的初始速率垂直侵彻混凝土圆板的动态过程，对计算结果进行了动画显示，并分析了不同钢弹初始速率对混凝土圆板破坏形式的影响。从而验证了该模型模拟混凝土破坏过程的可靠性和有效性，为进一步研究应用该数值模型奠定了基础。 总结了近年来国内国际上研究相对成熟和完善的几种混凝土细观数值模型并进行了比较，以期望能对混凝土数值模拟研究的同行们有所帮助。