黏聚单元嵌入技术及其在混凝土细观分析模型中的应用

发布时间：2020-02-05 19:40

【摘要】：采用针对随机颗粒的渐变网格剖分和黏聚单元嵌入的方案,建立骨料-砂浆-界面的三维高效细观有限元模型,并在单机上实现了混凝土标准试样的单轴拉伸和单轴压缩数值试验。结果表明:该嵌入方案能够捕捉到骨料-砂浆界面由弱连接到脱开的全过程,再现混凝土试样的破坏形态;通过对细观模拟结果获得的应力-应变关系曲线的对比分析,一定程度上揭示了混凝土宏观力学特性的内在机理,为探究混凝土类复合材料宏观力学特性的内在机制提供了技术保障。
【图文】：

示意图,相对位移,应力,骨料

第6期吴贞杰，等黏聚单元嵌入技术及其在混凝土细观分析模型中的应用图1界面法向应力与法向相对位移关系Fig．1Stress-displacementcurveofinterfaceinthenormaldirection图2界面切向应力与切向相对位移关系Fig．2Stress-displacementcurveofinterfaceinthetangentialdirection(a)在所有的骨料表面生成均匀的三角形面单元，然后设置稀疏渐变参数，采用四面体单元从骨料表面往球心稀疏过渡地离散骨料。(b)在混凝土试样表面生成三角形面单元，，并和骨料表面单元形成封闭区域，然后检查生成的三角形面单元的法线方向，保证每一个面单元均指向砂浆域。(c)设置稀疏渐变参数，采用四面体单元从砂浆内向外表面稀疏过渡，离散整个砂浆区域。(d)删除表面三角形单元，合并骨料边界处的重结点，获得混凝土试样的三维细观有限元初始网格，如图3(a)所示。该初始网格仅仅体现了骨料的随机分布特征，对于骨料与砂浆之间的界面特征，则需要在骨料和砂浆之间嵌入一层黏聚界面单元才能反映。图3黏聚单元的生成Fig．3Thegenerationofcohesiveelement1．2．3黏聚界面单元的嵌入骨料边界处采用无厚度的六结点黏聚界面单元离散，该单元上下底面结点按照逆时针顺序编号，如图3(b)所示。由于骨料边界处的单元与对应边界处的砂浆单元共享3个结点，故将此3个结点按照逆时针方向排列，作为六结点黏聚单元单侧的结点;原地复制形成另一侧的结点坐标，并将复制出的结点重新编号，形成黏聚单元结点信息(图3(b))，图3(c)即为该建模技术生成的含无厚度黏聚界面单元网格示意图。其中，黏聚界面单元的嵌入是通过计算机编程实现的，具体算法在1.3节中详细介绍。1．3黏聚单元嵌入算法黏聚单元的生成过程，简言之就是对混凝土骨料、砂浆四面体单元信息进行加工;搜索两种单元的公共结点，

示意图,骨料,结点,界面单元

叵?Fig．2Stress-displacementcurveofinterfaceinthetangentialdirection(a)在所有的骨料表面生成均匀的三角形面单元，然后设置稀疏渐变参数，采用四面体单元从骨料表面往球心稀疏过渡地离散骨料。(b)在混凝土试样表面生成三角形面单元，并和骨料表面单元形成封闭区域，然后检查生成的三角形面单元的法线方向，保证每一个面单元均指向砂浆域。(c)设置稀疏渐变参数，采用四面体单元从砂浆内向外表面稀疏过渡，离散整个砂浆区域。(d)删除表面三角形单元，合并骨料边界处的重结点，获得混凝土试样的三维细观有限元初始网格，如图3(a)所示。该初始网格仅仅体现了骨料的随机分布特征，对于骨料与砂浆之间的界面特征，则需要在骨料和砂浆之间嵌入一层黏聚界面单元才能反映。图3黏聚单元的生成Fig．3Thegenerationofcohesiveelement1．2．3黏聚界面单元的嵌入骨料边界处采用无厚度的六结点黏聚界面单元离散，该单元上下底面结点按照逆时针顺序编号，如图3(b)所示。由于骨料边界处的单元与对应边界处的砂浆单元共享3个结点，故将此3个结点按照逆时针方向排列，作为六结点黏聚单元单侧的结点;原地复制形成另一侧的结点坐标，并将复制出的结点重新编号，形成黏聚单元结点信息(图3(b))，图3(c)即为该建模技术生成的含无厚度黏聚界面单元网格示意图。其中，黏聚界面单元的嵌入是通过计算机编程实现的，具体算法在1.3节中详细介绍。1．3黏聚单元嵌入算法黏聚单元的生成过程，简言之就是对混凝土骨料、砂浆四面体单元信息进行加工;搜索两种单元的公共结点，并以此为基础嵌入黏聚单元的过程。该算法主要分为数据准备、分区搜索、结点定向排序和黏聚单元的生成4个部分。1．3．1数据准备界面单元嵌入算法需要的数据有:球体骨料的几何信息、初始网格结点、单元信息

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