混凝土动静力破坏过程的数值模拟及细观力学分析
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摘要
本文从细观层次着手,把混凝土视为由骨料、砂浆及二者之间的界面层所组成的三相复合材料,在对大型商业有限元软件ANSYS进行了二次开发的基础上,对混凝土单轴压缩试件、三级配混凝土简支梁在静、动荷载作用下的力学性能和破坏过程进行了数值模拟,基于混凝土单轴压缩CT试验对材料裂纹的扩展、贯通以及最后破坏的过程进行了研究。论文的工作具体可分为以下几个部分:
1.根据给定的试样尺寸,骨料级配及混凝土配合比,计算混凝土试件内部各级骨料颗粒的数目,利用蒙特卡罗方法,产生骨料在试件中的随机位置,建立了模拟混凝土细观结构的三维数学模型。利用ANSYS将混凝土数学模型在计算机上实现,建立混凝土三维随机骨料模型。对整个试样进行有限元网格划分,对骨料、砂浆和界面单元的材料号进行自动识别,并对各材料的力学参数进行试验研究及赋值。
2.通过上述方法,建立了混凝土圆柱体和梁试件三维数值模型,在建模和采集试验数据上,将裂纹形成与裂纹扩展两者同属于一个连续的疲劳失效过程。力图通过损伤力学的方法,把疲劳失效的两个阶段有机地结合在一起。利用损伤力学——有限元法进行数值模拟计算,并对ANSYS软件进行二次开发。模拟了混凝土材料从裂纹的萌生,扩展,贯通直到宏观裂纹产生导致破坏的过程。
3.通过混凝土圆柱体CT试验,利用破损空间理论对细观结构裂纹萌生,扩展,贯通直到宏观裂纹产生进行了研究,以此来分析出在外力作用下混凝土材料的裂纹扩展过程。进而对混凝土材料的损伤断裂过程区进行研究并与试验结果进行对比分析。本文通过对混凝土破坏过程的细观数值模拟,进而对混凝土材料裂纹的扩展、贯通、以及最后失稳破坏的破坏实质进行了有益的探索。
In this paper, concrete is taken as three-phase composites consisting of aggregate, mortar and bond between aggregate and mortar based on meso-mechanics. The mechanical performance and failure process of concrete subjected to uniaxial compressive stress and concrete simply supported beam in the static and dynamic load are studied by means of the software-ANSYS developed secondly. So the crack propagation, coalescence and failure of concrete is researched by the concrete uniaxial compressive CT test Main work of this paper include:
1.Based on the given testing size ,aggregate gradation, mix proportion, the number of each kind of aggregates is calculated in the concrete specimen.The random distribution of aggregate in specimen is generated by Monte-Carlo methed .3-D numerical model of the cylinder specimen of the concrete is established. The dynamic anlysis of numerical model of concrete specimen is ANSYS. The values of materials of aggregate, mortar and bond element are solved by using program studied.
2. The numerical model of the concrete cylinder and beam are established. The formation and propagation of the cracks are regarded as a continuous fatigue failure process and the failure process are modeled by damage mechanics-finite-element method. The different damage phases are computed out and the mesh is refined. So the formation and propagation of the concrete cracks are investigated.
3. Based on the damage theory, the damage-failure process of concrete cylinder specimen under loading is studied throgh CT test. The results of numerical calculation is compared with that of CT experiment
The formation and propagation of the concrete cracks as well as the failure mechanism of concrete material by meso-mechanics are studied in this paper.
1.根据给定的试样尺寸,骨料级配及混凝土配合比,计算混凝土试件内部各级骨料颗粒的数目,利用蒙特卡罗方法,产生骨料在试件中的随机位置,建立了模拟混凝土细观结构的三维数学模型。利用ANSYS将混凝土数学模型在计算机上实现,建立混凝土三维随机骨料模型。对整个试样进行有限元网格划分,对骨料、砂浆和界面单元的材料号进行自动识别,并对各材料的力学参数进行试验研究及赋值。
2.通过上述方法,建立了混凝土圆柱体和梁试件三维数值模型,在建模和采集试验数据上,将裂纹形成与裂纹扩展两者同属于一个连续的疲劳失效过程。力图通过损伤力学的方法,把疲劳失效的两个阶段有机地结合在一起。利用损伤力学——有限元法进行数值模拟计算,并对ANSYS软件进行二次开发。模拟了混凝土材料从裂纹的萌生,扩展,贯通直到宏观裂纹产生导致破坏的过程。
3.通过混凝土圆柱体CT试验,利用破损空间理论对细观结构裂纹萌生,扩展,贯通直到宏观裂纹产生进行了研究,以此来分析出在外力作用下混凝土材料的裂纹扩展过程。进而对混凝土材料的损伤断裂过程区进行研究并与试验结果进行对比分析。本文通过对混凝土破坏过程的细观数值模拟,进而对混凝土材料裂纹的扩展、贯通、以及最后失稳破坏的破坏实质进行了有益的探索。
In this paper, concrete is taken as three-phase composites consisting of aggregate, mortar and bond between aggregate and mortar based on meso-mechanics. The mechanical performance and failure process of concrete subjected to uniaxial compressive stress and concrete simply supported beam in the static and dynamic load are studied by means of the software-ANSYS developed secondly. So the crack propagation, coalescence and failure of concrete is researched by the concrete uniaxial compressive CT test Main work of this paper include:
1.Based on the given testing size ,aggregate gradation, mix proportion, the number of each kind of aggregates is calculated in the concrete specimen.The random distribution of aggregate in specimen is generated by Monte-Carlo methed .3-D numerical model of the cylinder specimen of the concrete is established. The dynamic anlysis of numerical model of concrete specimen is ANSYS. The values of materials of aggregate, mortar and bond element are solved by using program studied.
2. The numerical model of the concrete cylinder and beam are established. The formation and propagation of the cracks are regarded as a continuous fatigue failure process and the failure process are modeled by damage mechanics-finite-element method. The different damage phases are computed out and the mesh is refined. So the formation and propagation of the concrete cracks are investigated.
3. Based on the damage theory, the damage-failure process of concrete cylinder specimen under loading is studied throgh CT test. The results of numerical calculation is compared with that of CT experiment
The formation and propagation of the concrete cracks as well as the failure mechanism of concrete material by meso-mechanics are studied in this paper.
引文
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