基于多尺度理论的混凝土宏—细观力学特性

发布时间：2017-05-02 15:12

  本文关键词：基于多尺度理论的混凝土宏—细观力学特性，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：混凝土作为一种重要的典型多相非均质建筑材料,已广泛应用于高层建筑、地下厂房、大坝和核电站等工业与民用建筑中,对其细观组成结构的研究可以从本质机理上阐释其对外荷载的宏观力学性能。伴随着计算机数值模拟技术的进步和细观力学研究的深入,在细观层次上研究混凝土的损伤破坏机理已经成为大家广为关注的重点。材料的宏观性能与其细观结构、组成之间存在着紧密的内在联系,深入了解混凝土材料物理特性及其宏观破坏机理,充分掌握和分析其细观结构变化具有关键作用。本文依托国家自然科学基金重点项目(41430642)、国家自然科学基金青年基金项目(51108207)、冻土工程国家重点实验室开放基金(SKLFSE201514)和中国博士后科学基金项目(2015M581403)的资助,把混凝土看成是由骨料、砂浆及其交界面组成的三相复合材料,按细观-宏观层次,从整体到局部,以多尺度方法为理论工具,对混凝土材料参数进行理论分析、细观数值模拟试验和宏观力学试验,研究材混凝土材料的细观与宏观等效参数之间的数学联系。1、本文基于有限元方法,建立了混凝土多相细观力学随机骨料数值模型,包括随机骨料的生长、投放与骨料、砂浆、界面三相介质坐标定位等预处理过程,在有限元显示解法过程中,引入了标量损伤本构关系。2、根据已有的细观力学模型,提出了一种高效的骨料投放方法和相应的确定骨料位置的状态矩阵法,将预处理效率提高了23%,在混凝土多相观损伤力学模型中引入了非线性损伤软化本构关系。3、基于均匀化理论及多尺度有限元方法,对细观层次由砂浆、骨料及其交界面组成的混凝土材料进行了宏细观力学性能研究,探讨了元细胞尺寸对混凝土等效宏观力学参数的影响,结果表明,多尺度方法可以准确计算混凝土的宏观等效力学参数。4、通过C20和C30混凝土材料的宏观静态压缩试验,研究了粗骨料含量、混凝土基体类型及骨料粒径大小对混凝土材料宏观力学等效参数的影响,为反求混凝土细观交界面等效参数提供了真实有效的试验数据。试验结果表明,当粗骨料含量增加时,混凝土的抗压强度和宏观等效弹性模量也相应地提高,且抗压强度的增长速度低于弹性模量的增长速度,然而当粗骨料含量低于30%时,混凝土的抗压强度要低于基体的强度。5、基于改进的同伦算法,对细观混凝土过渡区界面的弹性模量进行了识别和反求,结果表明不考虑砂浆与骨料交界面的影响时,所求的混凝土宏观等效弹性模量偏高;视交界面厚度为0.1mm时,所求的混凝土宏观等效弹性模量与试验所测宏观弹性模量误差在10%以内。所以,建立混凝土数值骨料模型时,将交界面视为一相材料是很有必要的。
【关键词】：混凝土 随机骨料模型 多尺度理论 宏-细观 同伦算法
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU528
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 论文的研究背景及意义10
• 1.2 混凝土宏-细观力学特性的研究现状10-14
• 1.2.1 混凝土力学行为的研究方法10-12
• 1.2.2 细观数值模拟预处理方法的研究现状12-14
• 1.3 多尺度理论的研究现状14
• 1.4 本论文主要研究内容14-16
• 第2章 混凝土数值随机骨料分布研究16-33
• 2.1 概述16
• 2.2 随机变量及其产生方法16-17
• 2.2.1 蒙特卡罗方法简介16
• 2.2.2 随机数列及递推公式16-17
• 2.3 随机骨料的生长17-18
• 2.4 分层摆放法预处理18-26
• 2.4.1 随机骨料的投放18-21
• 2.4.2 三相材料网格坐标的形成21-26
• 2.5 混凝土细观三相介质识别26-27
• 2.6 细观层次损伤断裂模型27-29
• 2.6.1 基本思路27
• 2.6.2 细观单元的损伤应力应变关系27-29
• 2.7 非线性损伤断裂分析的有限元法29-32
• 2.7.1 有限元隐式解法29-31
• 2.7.2 有限元显式解法31-32
• 2.8 本章小结32-33
• 第3章 多尺度理论求解混凝土宏-细观力学参数33-58
• 3.1 概述33
• 3.2 均匀化理论33-35
• 3.3 弹性问题的均匀化理论35-40
• 3.4 均匀化方程的理论解40-41
• 3.5 均匀化理论的数值解41-49
• 3.5.1 有限元的基本方程41-45
• 3.5.2 周期性边界条件的分解45-49
• 3.6 算例分析49-57
• 3.6.1 元细胞尺寸对混凝土宏观参数的影响49-57
• 3.7 本章小结57-58
• 第4章 混凝土宏观力学性能试验研究58-66
• 4.1 概述58
• 4.2 材料及试样的制备58-60
• 4.2.1 原材料58-59
• 4.2.2 基体配合比59-60
• 4.2.3 试件浇筑流程60
• 4.3 静态压缩试验60-65
• 4.3.1 试验装置60-61
• 4.3.2 试验结果与分析61-65
• 4.4 本章小结65-66
• 第5章 基于混合反演理论求解细观混凝土交界面弹性模量66-74
• 5.1 概述66
• 5.2 曲线预估同伦反演方法66-70
• 5.2.1 同伦反演基本理论66-69
• 5.2.2 改进的同伦方法69-70
• 5.3 基于压缩试验和改进同伦算法求解界面过渡区弹性模量70-73
• 5.3.1 混凝土三相介质数值模型的建立71
• 5.3.2 界面过渡区数学模型的建立71-73
• 5.4 本章小结73-74
• 第6章 结论与展望74-77
• 6.1 本文工作的总结74-75
• 6.2 研究前景与展望75-77
• 参考文献77-84
• 攻读硕士期间发表的学术论文及取得的科研成果84-85
• 致谢85

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