脆性材料动态力学行为的离散元分析
发布时间：2021-04-17 21:08
通过颗粒流软件PFC2D,采用离散元的方法模拟了脆性材料在受外力作用下的动态力学行为。主要研究了混凝土以及无机玻璃的动态力学行为,并以混凝土为主。使用离散元软件PFC2D对二维混凝土模型进行了构建,并通过单轴压缩,劈裂拉伸,三点弯曲,切口梁三点弯曲等模拟实验,标定了混凝土内部的细观参数。并且在此模型基础上:1.模拟再现了混凝土巴西劈裂实验,通过模拟表明:1)力链分布在混凝土中部竖直方向上最为集中,向两侧逐渐减少。宏观裂纹首先在骨料与砂浆接触粘结面处产生,且沿加载线向上下两侧扩展,在高速扩展过程中伴随着高应变能的释放,裂纹将骨料拉裂,但裂纹主要还是沿着骨料与砂浆粘结面,以及砂浆间扩展。2)混凝土劈裂抗拉强度表现出明显的应变率效应,随应变率的增加而增大。3)进一步建立SHPB系统,对混凝土进行加载发现在低应变率下,混凝土能够很好的满足中心起裂现象,临界应变率在8s-1左右,而在高应变率时则不会出现,系由于更高应变率时,短时间混凝土内部无法达到应力均匀,而是先在混凝土两侧产生应力集中,达到抗压极限,从而产生该类现象。2.模拟了...
【文章来源】：宁波大学浙江省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PFC2D视图窗口图
脆性材料动态力学行为的离散元分析-6-2[()2()()][()()]()()()2mxttxtxttcxttxttkxtfttt(1.2)式中Δt为计算时步。由式(1.2)可以解得：22()()()()[2()]()2()()2ctfttmuttmktutxttcmt(1.3)由于式(1.3)中等式右边均为已知项，所以可将x(t+Δt)求出。将求出的值带入式(1.4)、(1.5)，由此可求出颗粒在t时刻的速度与加速度。x(t)[x(tt)x(tt)]/(2t)(1.4)2x(t)[x(tt)2x(t)x(tt)]/(t)(1.5)进行显示迭代分析时，主要对式(1.4)、(1.5)两组方程进行求解，即运动方程与力-位移方程。3)颗粒流方法基本方程在颗粒流模型中，以力-位移定律和牛顿第二定律为基本理论，根据力-位移理论更新接触部分的接触力；根据牛顿第二定律更新颗粒与墙体的位置，调整颗粒之间的关系。两者的相互交替，按照每一时步迭代并遍历整个颗粒集合，直到最终达到平衡状态或者破坏无法达到最终的稳定状态为止。(1)物理方程图1.4PFC中两种接触单元关系Fig.1.4TworelationshipsofthecontactunitinPFC
宁波大学硕士学位论文-9-模型的弊端，其均将骨料简化成了普通的圆形，而实际中骨料为多面体，就二维当中而言应为多边形，将骨料简化成圆形在一定程度上会改变混凝土在受动载荷作用时的力学行为，此外他们均将骨料简化成了单个大小颗粒，而单个颗粒无法破碎，因此无法准确反映实验中混凝土受冲击时骨料破碎的真实情况，如图1.6与1.7所示分别为圆形骨料混凝土模型与其受力破坏时的形貌图。Se′bastien[45]等人使用三维离散元模型对混凝土动态力学行为进行了研究，通过动态拉伸试验验证了混凝土的率效应。ChuanQin[46-48]等人使用离散元法建立了二维混凝土模型并通过经验公式对颗粒间参数进行了赋值，进一步对混凝土巴西劈裂实验进行了模拟，得出混凝土抗拉强度明显的率效应。清华大学MingxinWu、ZhenfuChen[49][50]等人通过离散元软件PFC2D构建了二维混凝土模型，开展了在不同应变率下混凝土梁失效破坏模式研究，并试图从从能量的角度对其进行解释，与此同时也研究了预加载荷对梁强度的影响。图1.6圆形骨料混凝土模型[43]图1.7圆形骨料混凝土破坏图[44]Fig.1.6circularaggregateconcretemodelFig.1.7Failurediagramofcircularaggregateconcrete基于上述事实本文提出了一种建立混凝土模型与确定混凝土内部细观参数(即标定)的新方法，并采用多边形可破碎骨料方式，更能准确反映混凝土受动载荷时裂纹扩展，以及其力学特点。在此标定基础上，对无机玻璃微观参数进行了确定，并且探究了无机玻璃动态力学行为和失效破坏模式。1.3论文的结构论文的编写结构如下：第一章、主要介绍了混凝土材料研究的背景及意义，并从理论、实验与模拟研究三方面阐述了国内外研究的现状，并简单介绍了离散元软件PFC的基本原理。
【参考文献】：
期刊论文
[1]石英玻璃圆环高速膨胀碎裂过程的离散元模拟[J]. 熊迅,李天密,马棋棋,方继松,郑宇轩,周风华. 力学学报. 2018(03)
[2]飞机风挡无机玻璃在不同应变率下的力学行为[J]. 王振,张超,王银茂,王祥,索涛. 爆炸与冲击. 2018(02)
[3]陶粒混凝土冲击损伤演化的三维数值模拟[J]. 王甲,肖圣哲,邱欣,陈江瑛. 宁波大学学报(理工版). 2017(06)
[4]不同落锤速度冲击下混凝土和RC梁破坏研究[J]. 梅福林,董新龙,俞鑫炉. 宁波大学学报(理工版). 2017(05)
[5]PFC滑坡模拟二、三维建模方法研究[J]. 曹文,李维朝,唐斌,邓刚,李俊峰. 工程地质学报. 2017(02)
[6]基于离散元的水泥混凝土细观模拟试验[J]. 赵全满,张洪亮,周浩. 公路交通科技. 2016(12)
[7]落锤冲击下钢筋混凝土梁响应及破坏的实验研究[J]. 付应乾,董新龙. 中国科学:技术科学. 2016(04)
[8]混凝土材料与结构破坏过程模拟分析[J]. 顾祥林,付武荣,汪小林,洪丽. 工程力学. 2015(11)
[9]Dynamic rock tests using split Hopkinson（Kolsky）bar system-A review[J]. Kaiwen Xia,Wei Yao. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2015(01)
[10]基于PFC2D不同细观参数对生态混凝土宏观破坏分析[J]. 宿辉,唐阳,聂汉江. 科学技术与工程. 2014(28)
硕士论文
[1]光圆钢筋与混凝土间动态粘结性能的试验研究[D]. 余效儒.宁波大学 2018
[2]冲击载荷作用下陶粒混凝土细观损伤的三维数值仿真[D]. 王甲.宁波大学 2017
[3]应变率效应对钢筋混凝土构件力学特性的影响[D]. 许东.大连理工大学 2009
本文编号：3144144
【文章来源】：宁波大学浙江省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PFC2D视图窗口图
脆性材料动态力学行为的离散元分析-6-2[()2()()][()()]()()()2mxttxtxttcxttxttkxtfttt(1.2)式中Δt为计算时步。由式(1.2)可以解得：22()()()()[2()]()2()()2ctfttmuttmktutxttcmt(1.3)由于式(1.3)中等式右边均为已知项，所以可将x(t+Δt)求出。将求出的值带入式(1.4)、(1.5)，由此可求出颗粒在t时刻的速度与加速度。x(t)[x(tt)x(tt)]/(2t)(1.4)2x(t)[x(tt)2x(t)x(tt)]/(t)(1.5)进行显示迭代分析时，主要对式(1.4)、(1.5)两组方程进行求解，即运动方程与力-位移方程。3)颗粒流方法基本方程在颗粒流模型中，以力-位移定律和牛顿第二定律为基本理论，根据力-位移理论更新接触部分的接触力；根据牛顿第二定律更新颗粒与墙体的位置，调整颗粒之间的关系。两者的相互交替，按照每一时步迭代并遍历整个颗粒集合，直到最终达到平衡状态或者破坏无法达到最终的稳定状态为止。(1)物理方程图1.4PFC中两种接触单元关系Fig.1.4TworelationshipsofthecontactunitinPFC
宁波大学硕士学位论文-9-模型的弊端，其均将骨料简化成了普通的圆形，而实际中骨料为多面体，就二维当中而言应为多边形，将骨料简化成圆形在一定程度上会改变混凝土在受动载荷作用时的力学行为，此外他们均将骨料简化成了单个大小颗粒，而单个颗粒无法破碎，因此无法准确反映实验中混凝土受冲击时骨料破碎的真实情况，如图1.6与1.7所示分别为圆形骨料混凝土模型与其受力破坏时的形貌图。Se′bastien[45]等人使用三维离散元模型对混凝土动态力学行为进行了研究，通过动态拉伸试验验证了混凝土的率效应。ChuanQin[46-48]等人使用离散元法建立了二维混凝土模型并通过经验公式对颗粒间参数进行了赋值，进一步对混凝土巴西劈裂实验进行了模拟，得出混凝土抗拉强度明显的率效应。清华大学MingxinWu、ZhenfuChen[49][50]等人通过离散元软件PFC2D构建了二维混凝土模型，开展了在不同应变率下混凝土梁失效破坏模式研究，并试图从从能量的角度对其进行解释，与此同时也研究了预加载荷对梁强度的影响。图1.6圆形骨料混凝土模型[43]图1.7圆形骨料混凝土破坏图[44]Fig.1.6circularaggregateconcretemodelFig.1.7Failurediagramofcircularaggregateconcrete基于上述事实本文提出了一种建立混凝土模型与确定混凝土内部细观参数(即标定)的新方法，并采用多边形可破碎骨料方式，更能准确反映混凝土受动载荷时裂纹扩展，以及其力学特点。在此标定基础上，对无机玻璃微观参数进行了确定，并且探究了无机玻璃动态力学行为和失效破坏模式。1.3论文的结构论文的编写结构如下：第一章、主要介绍了混凝土材料研究的背景及意义，并从理论、实验与模拟研究三方面阐述了国内外研究的现状，并简单介绍了离散元软件PFC的基本原理。
【参考文献】：
期刊论文
[1]石英玻璃圆环高速膨胀碎裂过程的离散元模拟[J]. 熊迅,李天密,马棋棋,方继松,郑宇轩,周风华. 力学学报. 2018(03)
[2]飞机风挡无机玻璃在不同应变率下的力学行为[J]. 王振,张超,王银茂,王祥,索涛. 爆炸与冲击. 2018(02)
[3]陶粒混凝土冲击损伤演化的三维数值模拟[J]. 王甲,肖圣哲,邱欣,陈江瑛. 宁波大学学报(理工版). 2017(06)
[4]不同落锤速度冲击下混凝土和RC梁破坏研究[J]. 梅福林,董新龙,俞鑫炉. 宁波大学学报(理工版). 2017(05)
[5]PFC滑坡模拟二、三维建模方法研究[J]. 曹文,李维朝,唐斌,邓刚,李俊峰. 工程地质学报. 2017(02)
[6]基于离散元的水泥混凝土细观模拟试验[J]. 赵全满,张洪亮,周浩. 公路交通科技. 2016(12)
[7]落锤冲击下钢筋混凝土梁响应及破坏的实验研究[J]. 付应乾,董新龙. 中国科学:技术科学. 2016(04)
[8]混凝土材料与结构破坏过程模拟分析[J]. 顾祥林,付武荣,汪小林,洪丽. 工程力学. 2015(11)
[9]Dynamic rock tests using split Hopkinson（Kolsky）bar system-A review[J]. Kaiwen Xia,Wei Yao. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2015(01)
[10]基于PFC2D不同细观参数对生态混凝土宏观破坏分析[J]. 宿辉,唐阳,聂汉江. 科学技术与工程. 2014(28)
硕士论文
[1]光圆钢筋与混凝土间动态粘结性能的试验研究[D]. 余效儒.宁波大学 2018
[2]冲击载荷作用下陶粒混凝土细观损伤的三维数值仿真[D]. 王甲.宁波大学 2017
[3]应变率效应对钢筋混凝土构件力学特性的影响[D]. 许东.大连理工大学 2009
本文编号：3144144
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