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基于图像的细观混凝土建模与动态端摩擦效应研究

黎超  
【摘要】:混凝土是工程建设中使用最为广泛的工程材料,深入了解其力学性能对于工程结构的设计和安全评估具有重要意义。大型工程断裂事故的频繁发生,使人们意识到从细观层次上研究混凝土破坏断裂特性十分必要。而在细观混凝土的研究中,由于试验手段常存在各种限制,数值模拟成为细观研究中常用的方法。所以进行细观混凝土的模拟研究,无论是对深入了解混凝土的断裂破坏机理,还是对发展更高强的混凝土新材料,都具有十分重要的意义。首先,本文采用像素替换法建立了基于CT图像的细观混凝土模型,同时对试件在应变率为10-5~2 s-1的动态冲击作用下抗压强度的端摩擦效应进行了模拟研究,采用蒙特卡洛模拟方法对20个图像模拟结果进行了统计分析,拟合出了混凝土动态抗压强度提高因子与应变率和摩擦系数间的定量关系式。研究发现混凝土裂缝的产生趋向于孔隙和ITZ等薄弱层,同时随着应变率的提高,裂缝向试件的中部集中。然后,本文提出了一种以像素点作为背景并根据单元内各像素点的个数确定材料属性的建模方法(本文称之为背景点阵法),并编制了相应的Matlab程序,实现了该方法的自动化。采用此方法建立了基于CT图像的矩形和圆形试件的细观混凝土模型,较为精确的还原了混凝土试件中骨料和孔洞等的轮廓外形与分布情况。最后,本文使用背景点阵法建立的细观混凝土模型,通过插入粘结裂缝(cohesive)单元来模拟裂缝的扩展,对20个CT图像样本的直接拉伸试验和单个巴西圆盘劈裂试验进行了模拟研究。研究发现直接拉伸试验的破坏一般为穿过孔洞并垂直于受力方向的通长裂缝;巴西圆盘的裂缝一般位于试样中心,沿作用力方向。


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