基于格構(gòu)模型的混凝土開裂過程多尺度數(shù)值研究.pdf

1、混凝土是一種多相復合的非勻質(zhì)材料，其開裂過程與內(nèi)部結(jié)構(gòu)密不可分。許多年來，國內(nèi)外大量的研究者致力于水泥基材料開裂過程的研究，提出過大量的裂縫模型，但基本停留于宏觀層次研究，沒有深入到材料微觀結(jié)構(gòu)，也很難給出裂縫動態(tài)開裂過程。針對上述問題，本文將多尺度方法與格構(gòu)斷裂模型相結(jié)合，首先開發(fā)了一種實時跟蹤裂縫寬度動態(tài)變化過程的Python程序算法完成了微觀尺度下水泥漿體格構(gòu)斷裂分析，然后針對細觀尺度隨機骨料投放，提出了采用HYMOSTRUC3D

2、模型快速生成三維隨機球形骨料模型研究了細觀尺度砂漿與混凝土的開裂過程。本文主要研究內(nèi)容如下：
　　采用隨機度的概念定量描述了水泥基材料不規(guī)則、非勻質(zhì)性質(zhì)，并分析了隨機度對格構(gòu)斷裂模擬的影響。結(jié)果表明：隨機度能夠反映了材料內(nèi)部物相不均勻程度。隨著隨機度增大，格構(gòu)模型整體彈性模量，抗拉強度以及峰值應(yīng)變均減小。
　　基于格構(gòu)斷裂模型的計算理論，推導了格構(gòu)模型裂縫寬度理論計算公式，編寫了MATLAB以及Python程序，將其植入商用

3、有限元計算軟件ABAQUS中，能夠跟蹤格構(gòu)模型不同應(yīng)力水平下裂縫寬度數(shù)值變化。該程序算法的基本思想為：每次格構(gòu)斷裂計算中，不從格構(gòu)系統(tǒng)中直接剔除σ/ft比值最大單元，而是設(shè)置為裂縫單元，裂縫單元是指單元的彈性模量數(shù)值設(shè)置為相對于其他格構(gòu)單元可以忽略不計，即二者彈性模量的比值趨于0。通過計算裂縫單元節(jié)點位移增量得到變形量的精確值，如果每次重新計算數(shù)據(jù)庫中所有裂縫單元的變形量，那么，就實現(xiàn)了對不同應(yīng)力水平下裂縫寬度變化跟蹤計算。本文數(shù)值結(jié)果

4、表明，本算法能夠有效追蹤裂縫寬度動態(tài)變化過程。
　　在隨機骨料模型方面，本文利用MATLAB編程進行數(shù)字圖像處理，借鑒F. Bernard采用NIST's CEMHYD3D程序代碼生成了砂漿結(jié)構(gòu)模型的方法，提出采用HYMOSTRUC模型快速生成三維隨機球形骨料模型。這解決了當前混凝土數(shù)值模擬中隨機骨料投放效率低下的問題。
　　基于遞階的多尺度建模方法，采用HYMOSTRUC3D模型生成了水泥漿體微觀結(jié)構(gòu)晶格圖像，并離散化為二

5、維晶格圖像建立格構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型。對微觀尺度下水泥漿體進行格構(gòu)系統(tǒng)線彈性有限元計算。將微觀尺度下得到的水泥漿體本構(gòu)關(guān)系作為細觀尺度下砂漿格構(gòu)分析的輸入?yún)?shù)，對細觀尺度砂漿進行非線性有限元計算，這種非線性是通過多步迭代降低單元的彈性模量與抗拉強度的方法實現(xiàn)的。按照這樣的多尺度格構(gòu)斷裂分析方法得到了混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線、裂縫位置分布圖、不同應(yīng)力水平下的裂縫寬度分布等。特別地，從裂縫位置分布圖來看，裂縫最先在初始孔隙周圍產(chǎn)生，然后逐漸向內(nèi)部擴展形成