水泥基复合材料宏细观断裂数值模拟研究

  普通混凝土和钢纤维水泥砂浆（SFRC）均为典型的水泥基复合材料,其内部结构的细观非均质性对材料宏观性能影响显著,采用普通的宏观力学试验或均质的数值模型难以分析内部各相介质（骨料、基体、界面和纤维）对试件宏观性能的影响。定向钢纤维水泥砂浆（ASFRC）作为一种典型的各向异性材料,目前,对其断裂失效特性以及定向纤维的阻裂增韧机理尚缺乏充分的研究。因此,本文通过建立宏细观数值模型,开展以下关于水泥基复合材料断裂失效机理的研究:（1）将裂缝扩展区看作细观非均匀材料,建立了混凝土细观有限元模型。采用扩展有限元法模拟混凝土细观断裂全过程。在验证细观模型可靠性的基础上,进而研究了骨料分布以及含量对裂缝扩展的影响。结果表明:不同骨料分布对峰值荷载及裂缝扩展路径影响较小,但对P-CMOD曲线的下降段影响较大,骨料含量只在局部范围内影响裂缝的扩展路径,结构整体的裂缝扩展方向几乎不受影响。（2）利用混合同余法生成随机数模拟钢纤维的位置坐标,基于本文设计的纤维相交判定准则,建立了三维钢纤维水泥砂浆数值模型;对模型截面的纤维含量进行统计并与试件截面统计的结果进行对比。考虑钢纤维与砂浆基体的粘结滑移作用,基于扩展有限元法,模拟了不同纤维体积掺量的ASFRC试件轴拉断裂全过程。结果表明:模型截面钢纤维含量与试验统计结果较为一致,模拟得到的全曲线结果与试验结果对比较好,纤维掺量较高的ASFRC试件在单轴拉伸作用下呈现多裂缝扩展破坏。（3）基于粘聚裂纹模型模拟了ASFRC三点弯曲梁断裂全过程并与已有试验结果进行对比。研究了基体不同粘聚律对ASFRC弯曲断裂全过程的影响。分别模拟了不同尺寸以及纤维呈不同角度定向分布试件的断裂全过程。结果表明:ASFRC弯曲梁的数值结果与试验结果对比较好,粘聚律的变化对断裂全曲线影响较小;随着试件尺寸的增大,ASFRC三点弯曲梁的宏观名义强度存在一定的尺寸效应;纤维分布方向与主拉应力的夹角超过60o时,对水泥砂浆试件弯曲断裂的峰值荷载增强不显著。（4）基于考虑加载率效应的粘聚裂纹模型以及等效纤维本构关系,建立VUMAT子程序模拟了SFRC和ASFRC三点弯曲梁冲击断裂失效全过程。对比分析了加载速率对SFRC和ASFRC三点弯曲梁抗冲击性能的影响。结果表明:在冲击荷载作用下,ASFRC试件内的纤维所耗散的总能量显著高于SFRC试件,纤维定向可显著提高水泥基复合材料抵抗冲击破坏的能力。随着落锤冲击速率的提高,定向纤维的耗散能最大值逐渐增大,而乱向纤维的耗散能最大值略有下降,且定向和乱向纤维的耗散能曲线达到峰值后出现陡降过程,曲线下降段与低速加载的结果接近。

 

河北工业大学天津市211工程院校

 

【学位级别】：硕士

 

页数：90

 

文章目录

摘要

abstract

第一章 绪论

    1.1 研究的背景及意义

    1.2 国内外研究现状

        1.2.1 混凝土断裂数值模拟分析

        1.2.2 钢纤维混凝土断裂特性模拟分析

            1.2.2.1 静态分析

            1.2.2.2 动态模拟

        1.2.3 ASFRC材料力学性能的研究

    1.3 本文研究内容

第二章 混凝土宏细观断裂特性分析

    2.1 混凝土细观数值模型

        2.1.1 蒙特卡洛随机抽样原理

        2.1.2 随机骨料生成

    2.2 扩展有限元法的基本原理

    2.3 宏细观模型及失效准则的建立

        2.3.1 建立混凝土重力坝模型

        2.3.2 材料失效准则及计算参数

    2.4 模型试算

        2.4.1 模型验证

        2.4.2 骨料分布对裂缝扩展的影响

        2.4.3 骨料含量对裂缝扩展的影响

    2.5 本章结论

第三章 定向钢纤维增强水泥基复合材料细观断裂分析

    3.1 钢纤维生成算法

        3.1.1 纤维位置和方向

        3.1.2 边界条件和相交判断

    3.2 生成算法的实现及可靠性验证

        3.2.1 钢纤维投放流程

        3.2.2 数值模型的建立

        3.2.3 截面纤维含量统计分析

    3.3 基体和钢纤维的本构关系

        3.3.1 基体本构关系

        3.3.2 纤维拔出试验及等效本构关系

    3.4 模型试算

        3.4.1 有限元模型的建立

        3.4.2 数值模拟结果

    3.5 本章结论

第四章 SFRC和 ASFRC弯曲断裂细观模拟分析

    4.1 粘聚裂纹模型

        4.1.1 粘聚单元

        4.1.2 粘聚单元的牵引力-位移关系

    4.2 ASFRC材料的断裂全过程模拟分析

        4.2.1 三点弯曲断裂模型

        4.2.2 钢纤维等效本构

        4.2.3 模型试算及可靠性分析

    4.3 粘聚律类型对ASFRC材料断裂性能的影响

    4.4 ASFRC弯曲强度的尺寸效应分析

    4.5 纤维分布方向对SFRC材料断裂性能的影响

        4.5.1 模型建立

        4.5.2 数值模拟结果

    4.6 本章结论

第五章 钢纤维增强水泥基复合材料冲击断裂失效分析

    5.1 粘聚裂纹模型的VUMAT子程序开发

        5.1.1 单元失效准则

        5.1.2 VUMAT子程序的编译

    5.2 基体和纤维的动态加载率效应

        5.2.1 基体开裂的率效应

        5.2.2 纤维拔出的率效应

    5.3 三维单元的测试验证

    5.4 SFRC与 ASFRC的冲击断裂全过程模拟

        5.4.1 断裂全过程分析

        5.4.2 冲击断裂的率效应分析

    5.5 本章结论

第六章 结论与展望

    6.1 研究结论

    6.2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢

 

参考文献

 

期刊论文

 

[1]钢纤维混凝土浇筑过程中纤维运动的数值模拟[J]. 毕继红,徐达,鲍春,关健.  天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2017(06)

[2]自密实混凝土中钢纤维分布和取向的数值模拟方法[J]. 毕继红,鲍春,关健,徐达.  混凝土. 2017(04)

[3]定向钢纤维水泥基复合材料断裂理论分析及试验[J]. 卿龙邦,聂雅彤,慕儒,程兰婷,王晓伟.  材料科学与工程学报. 2017(02)

[4]钢纤维分布形式及试件尺寸对水泥基复合材料弯曲性能的影响[J]. 田稳苓,马林翔,卿龙邦,慕儒.  混凝土. 2016(08)

[5]两种不同加载方法下的混凝土剪切断裂过程对比研究[J]. 胡少伟,胡亮.  土木工程学报. 2016(06)

[6]定向钢纤维水泥基复合材料的纤维分布研究[J]. 田稳苓,马林翔,张楷婕,王浩宇.  建筑科学. 2016(03)

[7]定向钢纤维混凝土中的钢纤维分布X-ray CT分析[J]. 慕儒,马艳奉,李辉,王晓伟,张萍.  电子显微学报. 2015(06)

[8]基于扩展有限元进行钢筋混凝土柱捏拢效应的机理分析[J]. 余江滔,许万里,林建辉,瓮文芳.  工程力学. 2015(11)

[9]混凝土三维参数化骨料模型的创建方法[J]. 宋来忠,周斌,彭刚,姜袁.  固体力学学报. 2015(03)

[10]混杂纤维混凝土二维随机建模方法[J]. 任志刚,徐彬,程书怀.  武汉理工大学学报. 2015(04)

 

 

博士论文

 

[1]细观混凝土分析模型与方法研究[D]. 金浏.北京工业大学 2014

[2]混凝土架构模型研究[D]. 曹明莉.大连理工大学 2009

 

硕士论文

 

[1]钢纤维混凝土细观层次数值模拟研究[D]. 刘丰.华南理工大学 2014

[2]钢纤维混凝土动态拉伸与数值模拟[D]. 范立新.广州大学 2013

[3]钢纤维高强混凝土墙的抗爆性能有限元分析[D]. 李楠.长安大学 2012

[4]混凝土架构模型的数值模拟研究[D]. 程伟峰.大连理工大学 2008