基于XCT图像和比例边界有限元法的混凝土细观断裂模拟
发布时间：2020-09-18 13:28
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。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TU528
【部分图文】：
ＸＣＴ技术广泛应用于医学诊断以及材料无损检测等领域。ＸＣＴ系统主要由逡逑物理成像与图像重建等相关设备姐成，本节对ＸＣＴ技术的基本原理做简要介绍。逡逑如图２．１所示，试件放置在Ｘ射线源与探测器之间，保持试件与设备位置固逡逑定，射线源发射Ｘ射线穿过试件，最后到达探测器而被记录，得到一张二维投逡逑影图像［１６１］。扫描过程中，试件按一定速率绕竖直轴旋转，累计旋转３６０°，生成逡逑一系列的二维投影图像数据，继而通过图像重建算法计算线性衰减系数（ｌｉｎｅａｒ逡逑ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ邋ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）的空间分布并产生三维数据。逡逑在实施扫描前，要进行试件安放、机器预热、扫描初始设置、能量校验、曝逡逑１５逡逑
共产生２０００张投影图像，有效分辨率为３７．２邋｜ｉｍ。逡逑当荷载达到峰值１６．５邋ｋＮ时（即第５个扫描步；），试件表面出现劈裂形态的宏逡逑观裂缝。此后，试件所能承受的荷载持续减小。图２．４显示了荷载－位移曲线。逡逑１９逡逑
１ｓｔ邋ｓｃａｎ逦Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ邋（ｍｍ）逡逑图２．４原位ＸＣＴ试验的荷载－位移曲线［９９］逡逑Ｆｉｇ．邋２．４邋Ｔｈｅ邋ｌｏａｄ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ邋ｃｕｒｖｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｉｎ－ｓｉｔｕ邋ＸＣＴ邋ｔｅｓｔ［９９】逡逑２．３．２图像重建与材料分割逡逑以初始状态混凝土试块的扫描数据为例，将获得的一系列二维投影图像导入逡逑配套软件ＣＴ邋Ｐｒｏ与ＶＧ邋Ｓｔｕｄｉｏ，进行图像重建。为了消除试件粗糙表面的影响，逡逑需要将重建所得三维数字图像的边界略作切削，得到３７．２ｘ３７．２ｘ３７．２邋＿３的立方逡逑体。同时，考虑到原始数据有２０００张投影图像（大约１５邋ＧＢ），在图像重建过程中逡逑保持分辨率３７．２叫ｎ不变的情况下作缩减操作，将投影图像减少为１０００张（大约逡逑有２邋ＧＢ）。上述图像重建的过程如图２．５所示。逡逑：Ｆy﹀义希樱澹颍椋澹箦澹铮驽澹穑颍铮辏澹悖簦椋铮铄澹椋恚幔纾澹箦危常腻澹椋恚幔纾邋澹幔妫簦澹蝈澹颍澹悖铮睿螅簦颍酰悖簦椋铮铄危常腻澹椋恚幔纾邋澹幔妫簦澹蝈澹恚铮洌椋妫椋悖幔簦椋铮铄义贤迹玻低ü茫藻澹校颍镉耄郑清澹樱簦酰洌椋锒酝队巴枷窠兄亟ㄥ义希疲椋纾澹玻靛澹桑恚幔纾邋澹颍澹悖铮睿螅簦颍酰悖簦椋铮铄澹簦瑁颍铮酰纾桢澹茫藻澹校颍镥澹幔睿溴澹郑清澹樱簦酰洌椋镥义希玻板义
本文编号：2821707
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TU528
【部分图文】：
ＸＣＴ技术广泛应用于医学诊断以及材料无损检测等领域。ＸＣＴ系统主要由逡逑物理成像与图像重建等相关设备姐成，本节对ＸＣＴ技术的基本原理做简要介绍。逡逑如图２．１所示，试件放置在Ｘ射线源与探测器之间，保持试件与设备位置固逡逑定，射线源发射Ｘ射线穿过试件，最后到达探测器而被记录，得到一张二维投逡逑影图像［１６１］。扫描过程中，试件按一定速率绕竖直轴旋转，累计旋转３６０°，生成逡逑一系列的二维投影图像数据，继而通过图像重建算法计算线性衰减系数（ｌｉｎｅａｒ逡逑ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ邋ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）的空间分布并产生三维数据。逡逑在实施扫描前，要进行试件安放、机器预热、扫描初始设置、能量校验、曝逡逑１５逡逑
共产生２０００张投影图像，有效分辨率为３７．２邋｜ｉｍ。逡逑当荷载达到峰值１６．５邋ｋＮ时（即第５个扫描步；），试件表面出现劈裂形态的宏逡逑观裂缝。此后，试件所能承受的荷载持续减小。图２．４显示了荷载－位移曲线。逡逑１９逡逑
１ｓｔ邋ｓｃａｎ逦Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ邋（ｍｍ）逡逑图２．４原位ＸＣＴ试验的荷载－位移曲线［９９］逡逑Ｆｉｇ．邋２．４邋Ｔｈｅ邋ｌｏａｄ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ邋ｃｕｒｖｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｉｎ－ｓｉｔｕ邋ＸＣＴ邋ｔｅｓｔ［９９】逡逑２．３．２图像重建与材料分割逡逑以初始状态混凝土试块的扫描数据为例，将获得的一系列二维投影图像导入逡逑配套软件ＣＴ邋Ｐｒｏ与ＶＧ邋Ｓｔｕｄｉｏ，进行图像重建。为了消除试件粗糙表面的影响，逡逑需要将重建所得三维数字图像的边界略作切削，得到３７．２ｘ３７．２ｘ３７．２邋＿３的立方逡逑体。同时，考虑到原始数据有２０００张投影图像（大约１５邋ＧＢ），在图像重建过程中逡逑保持分辨率３７．２叫ｎ不变的情况下作缩减操作，将投影图像减少为１０００张（大约逡逑有２邋ＧＢ）。上述图像重建的过程如图２．５所示。逡逑：Ｆy﹀义希樱澹颍椋澹箦澹铮驽澹穑颍铮辏澹悖簦椋铮铄澹椋恚幔纾澹箦危常腻澹椋恚幔纾邋澹幔妫簦澹蝈澹颍澹悖铮睿螅簦颍酰悖簦椋铮铄危常腻澹椋恚幔纾邋澹幔妫簦澹蝈澹恚铮洌椋妫椋悖幔簦椋铮铄义贤迹玻低ü茫藻澹校颍镉耄郑清澹樱簦酰洌椋锒酝队巴枷窠兄亟ㄥ义希疲椋纾澹玻靛澹桑恚幔纾邋澹颍澹悖铮睿螅簦颍酰悖簦椋铮铄澹簦瑁颍铮酰纾桢澹茫藻澹校颍镥澹幔睿溴澹郑清澹樱簦酰洌椋镥义希玻板义
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