循环载荷作用下混凝土疲劳裂纹扩展的数值模拟

发布时间：2017-08-23 23:22

  本文关键词：循环载荷作用下混凝土疲劳裂纹扩展的数值模拟

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【摘要】：混凝土作为一种多相复合材料,其在细观层次上可以被认为由粗骨料、水泥砂浆以及它们之间的界面过渡区(简称ITZ)组成,其各相材料中都以微裂纹或微孔洞的形式存在着许多初始缺陷,在疲劳载荷的作用下,这些初始缺陷与混凝土细观结构共同影响着材料整体的疲劳性能以及宏观响应。与静力加载条件下的混凝土宏、细观研究相比,疲劳加载条件下混凝土宏、细观分析的研究相对较少,而混凝土疲劳问题也是工程应用中需要解决的问题之一。本文根据混凝土疲劳裂纹扩展不同阶段的特征,采用细观与宏观建模分析方法对混凝土中疲劳裂纹萌生、扩展以及试件破坏的全过程进行了分析,揭示了混凝土材料疲劳破坏的细观与宏观机理。文中建立了一种混凝土多相细观模型,其中的骨料形状、分布以及ITZ厚度均与实际混凝土相一致,该模型不对裂纹萌生位置作事先假设,能够真实地反映混凝土中疲劳裂纹萌生的过程。模型的建立通过PYTHON语言编写的一体化脚本程序实现,有效地提高了建模分析的效率。针对疲劳分析的特点,设置了基于循环块的求解过程,有效地实现了疲劳载荷作用下结构响应的求解,并利用FORTRAN语言编写了混凝土细观组分的材料子程序,实现了与加载次数以及变形相关的材料疲劳损伤演化模型的模拟,同时证明了该材料子程序的准确性。利用以上建立的细观模型,分析了骨料位置随机性、骨料体积分数以及应力水平对于混凝土材料疲劳裂纹扩展与试件破坏的影响,数值模拟结果说明该模型对于不同细观结构的混凝土材料以及不同的加载条件都有较好的适用性。文中还提出了细观与宏观模型转换的分析方法,通过合理地划分细观与宏观模型在分析过程中的适用界限,实现了与混凝土材料不同疲劳损伤阶段相适应的建模分析过程,同时通过模型间的数据传递,实现了细观与宏观模型的分析过程连接,保证了整个混凝土疲劳分析过程的连续性。其中宏观模型由PYTHON语言编写的脚本程序建立,实现了裂纹动态扩展过程的模拟与混凝土疲劳寿命的预测。该模型中的混凝土材料疲劳参数由相应的数值实验拟合得到,与混凝土材料的一般取值符合较好。以上考虑混凝土材料不同疲劳阶段特点的分析模型很好地描述了混凝土中损伤演化与裂纹扩展的特征,阐释了混凝土疲劳破坏的深层机理。
【关键词】：混凝土 疲劳裂纹扩展 细观模型 宏、细观分析 数值模拟 材料子程序
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU528;O346.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 工程背景及研究意义10-11
• 1.2 混凝土疲劳破坏的研究现状11-15
• 1.2.1 混凝土疲劳破坏的宏观研究方法11-13
• 1.2.2 混凝土疲劳破坏的细观研究方法13-15
• 1.3 本文的主要工作15-18
• 第二章 混凝土疲劳破坏的基本理论18-28
• 2.1 疲劳破坏的基本特征18
• 2.2 混凝土疲劳破坏的损伤力学基础18-22
• 2.3 疲劳破坏的断裂力学基础22-26
• 2.4 本章小结26-28
• 第三章 混凝土材料细观疲劳分析模型的建立28-54
• 3.1 混凝土细观材料的本构模型28-30
• 3.1.1 水泥砂浆和ITZ的疲劳损伤本构关系28-29
• 3.1.2 材料参数的确定29-30
• 3.2 基于循环块的结构求解过程30-32
• 3.3 材料模型的程序实现32-36
• 3.3.1 材料子程序的作用32-33
• 3.3.2 材料子程序的算法33-36
• 3.4 材料子程序的验证36-37
• 3.5 循环块数量与计算精度的关系37-38
• 3.6 混凝土多相细观模型的建立38-42
• 3.6.1 随机骨料投放38-41
• 3.6.2 模型参数的确定41-42
• 3.7 有限元计算模型及过渡性网格划分42-43
• 3.8 循环加载过程模拟43-44
• 3.9 细观模型的计算结果分析44-52
• 3.9.1 混凝土试件的应力重分布44-45
• 3.9.2 混凝土试件的疲劳损伤与裂纹扩展45-52
• 3.10 本章小结52-54
• 第四章 细观结构及应力水平对混凝土疲劳裂纹扩展的影响54-66
• 4.1 骨料位置随机性对于裂纹扩展的影响54-56
• 4.2 应力水平对于混凝土试件疲劳裂纹扩展的影响56-58
• 4.3 骨料体积分数对混凝土疲劳裂纹扩展的影响58-64
• 4.4 混凝土细观疲劳分析模型评估64-65
• 4.5 本章小结65-66
• 第五章 宏观裂纹扩展导致的混凝土疲劳破坏分析66-100
• 5.1 混凝土材料疲劳参数的拟合66-81
• 5.1.1 裂纹尖端位置数据的采集67-68
• 5.1.2 参数拟合过程中裂纹的选取规则68-69
• 5.1.3 应力强度因子幅值的计算及混凝土疲劳参数拟合69-81
• 5.2 细观模型与宏观模型的分析过程连接以及数据传递81-84
• 5.2.1 模型转换时机的确定82-83
• 5.2.2 细观模型与宏观模型间的数据传递83-84
• 5.3 基于Pairs法则的裂纹扩展过程模拟以及混凝土试件疲劳寿命预测84-99
• 5.3.1 含裂纹混凝土模型的建立84-85
• 5.3.2 疲劳裂纹扩展模拟85-87
• 5.3.3 混凝土试件疲劳寿命估计以及破坏形式分析87-94
• 5.3.4 骨料体积分数对于混凝土试件疲劳寿命以及破坏形式的影响94-96
• 5.3.5 应力水平对于混凝土试件疲劳破坏的影响96-99
• 5.4 本章小结99-100
• 第六章 结论与展望100-102
• 6.1 研究结论100-101
• 6.2 研究展望101-102
• 参考文献102-106
• 致谢106-108
• 附录A 材料子程序UMAT-MATRIX108-112
• 附录B 疲劳裂纹扩展分析程序112-118

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：727887