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基于XCT图像和比例边界有限元法的混凝土细观断裂模拟

黄宇劼  
【摘要】:混凝土是目前工业与民用结构中最主要的工程材料,广泛应用于各种基础设施建设。为了更好地对混凝土材料和结构进行优化设计和安全评估,亟需对混凝土材料的多尺度力学特性进行系统研究。在细观尺度上,混凝土是一种由骨料、砂浆、孔洞等组成的多相复合材料,其细观结构的非均质性导致了其宏观力学行为的非线性和随机性。对混凝土进行细观模拟十分必要,这有助于探究各相与宏观力学行为之间的关联,以深入理解复杂的混凝土损伤断裂机理。本文首先基于混凝土原位X射线断层扫描(XCT)试验获得的细观图像,建立具有真实细观结构的三维有限元模型,采用连续损伤塑性模型进行损伤断裂模拟,并与原位XCT类劈裂试验直接对比验证,获得与试验吻合较好的荷载-位移曲线与裂缝分布。进而对单轴受压与受拉工况进行模拟,结果也表明该模型能够有效地模拟混凝土内部复杂的损伤断裂过程,反映其细观结构对宏观力学特性的影响,揭示裂缝形成与发展的细观机理。其次,采用基于XCT图像的细观混凝土模型,研究了混凝土在不同应变率冲击荷载下的动态破坏特性。通过蒙特卡洛模拟,从统计意义上研究了应变率与细观非均质对混凝土宏观动态力学特性的影响。提出了考虑均值与标准差的动态强度放大系数-应变率关系式,与试验数据及经验公式吻合良好。研究表明,该模型能够有效地反映与揭示混凝土复杂的动态损伤破坏机理,随着应变率的提高,裂缝倾向于连通试件内部孔洞,形成弥散的复杂裂缝网络;动态抗压强度与孔洞含量的负相关性增强,表明高应变率下孔洞对混凝土的劣化效应更加显著。第三,提出了 一种高效的有限元法(FEM)与比例边界有限元法(SBFEM)的耦合方法用于细观混凝土断裂的模拟。开发了 SBFE多边形单元的用户自定义单元(UEL)子程序,首次实现了半解析的SBFEM在ABAQUS中的应用。由于SBFE多边形(子域)的形状十分灵活,一个骨料采用一个或少量SBFE多边形模拟,而且多边形仅在骨料边界离散,这大大减少了自由度;SBFEM解的半解析特性也保证了计算精度。另外,砂浆采用传统FE单元模拟,砂浆中和骨料-砂浆界面上的裂缝扩展由离散粘结裂缝单元模拟。若干典型算例证明了 FE-SBFE耦合方法在混凝土细观非线性断裂模拟的有效性。第四,针对含随机骨料和孔洞的混凝土细观结构,开发了全SBFE多边形网格生成程序,提出了基于SBFEM的细观混凝土均匀化算法。利用SBFEM的半解析特性,推导了体积平均应力的半解析积分形式。结果表明,基于SBFEM的均匀化方法显著降低了自由度数量,同时其半解析特性又保证了结果的高精度。通过蒙特卡洛模拟,研究了细观非均质性对混凝土宏观等效弹性参数的统计影响,提出考虑孔洞影响的尺寸效应公式,与试验结果吻合良好。最后,采用Python编写程序,利用ABAQUS脚本接口进行前处理二次开发,考虑骨料实际级配,有效地建立了多面体随机骨料几何模型并进行有限元网格划分。通过自编C++程序在多面体骨料-砂浆界面上以及砂浆中高效插设零厚度的离散粘结裂缝单元,基于ABAQUS成功模拟了三维裂缝的起裂与扩展。深入分析材料断裂参数(抗拉强度与断裂能)对荷载-位移曲线、断裂过程、裂缝面特征以及裂缝宽度的影响。研究表明,混凝土的力学响应反映其裂缝发展特征,二者既决定于材料断裂参数,也受到骨料大小、形状等细观结构因素的影响,建立的模型能够有效反映混凝土的复杂三维断裂过程。全文进行了数值模拟、理论推导并与试验对比验证,旨在为细观混凝土模拟提出新的思路,开辟SBFEM新的应用领域,为多尺度下的混凝土断裂力学特性奠定研究基础。


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