混凝土動(dòng)力破損性能的細(xì)觀仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

本項(xiàng)研究基于混凝土細(xì)觀顆粒元仿真模型，考慮骨料、砂漿、交界面三相的強(qiáng)度非均勻性，考察混凝土材料的動(dòng)力損傷斷裂破壞全過程，并分析應(yīng)變能-動(dòng)能-摩阻耗能的全程變化?；诩?xì)觀顆粒元建立落錘-結(jié)構(gòu)全系統(tǒng)仿真模型，對(duì)沖擊試驗(yàn)進(jìn)行全過程模擬，研究了系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)化過程，并提出顆粒元能量模式與傳統(tǒng)斷裂能的轉(zhuǎn)換關(guān)系?；陬w粒元-有限差耦合方法，建立無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁沖擊試驗(yàn)仿真模型，其中混凝土顆粒單元和鋼筋桿單元在錨固點(diǎn)交互作用，對(duì)混凝土損傷斷裂和鋼筋屈服的動(dòng)力破壞過程進(jìn)行模擬，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較研究。細(xì)觀數(shù)值仿真成果與混凝土動(dòng)力試驗(yàn)進(jìn)行全面對(duì)比，從而進(jìn)一步解釋率相關(guān)效應(yīng)的機(jī)理，并驗(yàn)證與改進(jìn)細(xì)觀模型。 在試驗(yàn)驗(yàn)證方面，建立穩(wěn)定可靠的混凝土落錘沖擊試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，通過改變重錘質(zhì)量、下落高度和錘頭材料完成了不同加載速率的沖擊試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)中混凝土梁的承載力、動(dòng)態(tài)位移、應(yīng)變、斷裂過程、動(dòng)量-沖量平衡關(guān)系、慣性力和斷裂能等動(dòng)力特性進(jìn)行了測(cè)量和分析。設(shè)計(jì)了無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁沖擊試驗(yàn)，對(duì)鋼筋屈服-混凝土斷裂的非線性相互作用過程進(jìn)行系統(tǒng)分析，證明預(yù)應(yīng)力鋼筋限制了混凝土的變形和裂紋擴(kuò)展，鋼筋的屈服程度決定了混凝土的裂紋擴(kuò)展程度和多次沖擊的剩余承載力。 2100433B

混凝土在地震動(dòng)與高速?zèng)_擊荷載作用下其強(qiáng)度本構(gòu)關(guān)系與破壞性能顯示出明顯的與加載速率密切相關(guān)的特征。隨加載速率的提高，其強(qiáng)度表現(xiàn)出顯著增長(zhǎng)的率效應(yīng)，這一現(xiàn)象對(duì)高壩等大型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力安全穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有重大影響。本項(xiàng)研究目標(biāo)是探索混凝土動(dòng)力率相關(guān)效應(yīng)和不同荷載環(huán)境及初載歷史的影響機(jī)理。 基于混凝土細(xì)觀顆粒元仿真模型，考慮骨料、砂漿、交界面三相的強(qiáng)度非均勻性，考慮初始靜力加載等初載條件，以不同加載速率施加荷載，考察混凝土材料的動(dòng)力損傷斷裂破壞全過程，并分析應(yīng)變能-動(dòng)能-摩阻耗能的全程變化，從而揭示混凝土動(dòng)力率相關(guān)效應(yīng)的內(nèi)在機(jī)理。 在試驗(yàn)驗(yàn)證方面，在霍普金森桿沖擊劈拉試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用中-高速率的重力落錘試驗(yàn)裝置，進(jìn)行混凝土動(dòng)力彎曲試驗(yàn)，研究其動(dòng)力本構(gòu)關(guān)系與應(yīng)變率的關(guān)系，觀察不同速率的損傷斷裂過程與破壞形態(tài)。據(jù)此與細(xì)觀數(shù)值仿真成果進(jìn)行全面對(duì)比，從而進(jìn)一步解釋率相關(guān)效應(yīng)的機(jī)理，并驗(yàn)證與改進(jìn)細(xì)觀模型。

本文基于細(xì)觀顆粒元數(shù)值模型和動(dòng)力試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析了混凝土直拉、劈拉、彎拉強(qiáng)度等性能；建立了落錘結(jié)構(gòu)全系統(tǒng)仿真模型，對(duì)混凝土梁落錘沖擊試驗(yàn)進(jìn)行仿真分析提出了顆粒元能量模式與傳統(tǒng)斷裂能的轉(zhuǎn)換關(guān)系；基于顆粒元有限差耦合方法進(jìn)行了無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁沖擊試驗(yàn)仿真，論證了鋼筋混凝土類復(fù)合材料的動(dòng)力特性與破壞機(jī)理。

本書適合高校和科研院所水利、土木建筑、力學(xué)、材料等專業(yè)的師生閱讀。

第1章緒論

1.1研究背景及意義

1.2混凝土動(dòng)力性能研究

1.2.1混凝土動(dòng)力試驗(yàn)方法

1.2.2混凝土強(qiáng)度率相關(guān)規(guī)律

1.2.3動(dòng)力破壞機(jī)理研究

1.2.4水工混凝土動(dòng)力性能研究

1.3混凝土細(xì)觀數(shù)值模型方法

1.3.1有限元模型

1.3.2格構(gòu)模型

1.3.3離散元模型

1.4論文主要內(nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)

1.4.1論文主要內(nèi)容

1.4.2論文創(chuàng)新點(diǎn)

第2章混凝土細(xì)觀顆粒元模型驗(yàn)證與軸拉、劈拉、彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)仿真

2.1概述

2.2混凝土細(xì)觀顆粒元模型

2.2.1顆粒元平行黏結(jié)模型

2.2.2顆粒元能量理論

2.2.3混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)預(yù)處理及參數(shù)反演

2.3混凝土細(xì)觀顆粒元模型驗(yàn)證與軸拉、劈拉、彎拉強(qiáng)度對(duì)比

2.3.1混凝土靜動(dòng)力強(qiáng)度試驗(yàn)及細(xì)觀模型

2.3.2靜力抗拉強(qiáng)度對(duì)比與分析

2.3.3動(dòng)力抗拉強(qiáng)度對(duì)比與分析

2.4本章小結(jié)第3章混凝土動(dòng)力沖擊性能試驗(yàn)研究

3.1概述

3.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.2.1試驗(yàn)設(shè)備及試件

3.2.2預(yù)備試驗(yàn)

3.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.3.1加速度信號(hào)處理

3.3.2慣性力分析

3.4試驗(yàn)結(jié)果

3.4.1鋁錘頭不同落錘高度試驗(yàn)結(jié)果

3.4.2鋁錘頭不同落錘質(zhì)量試驗(yàn)結(jié)果

3.4.3橡膠錘頭不同落錘高度試驗(yàn)結(jié)果

3.5試驗(yàn)分析及討論

3.5.1動(dòng)量沖量平衡關(guān)系

3.5.2率相關(guān)效應(yīng)

3.5.3系統(tǒng)能量平衡與混凝土梁能量組成

3.6本章小結(jié)

第4章落錘結(jié)構(gòu)全系統(tǒng)細(xì)觀模型仿真與分析

4.1概述

4.2細(xì)觀顆粒元全系統(tǒng)模型仿真分析

4.3數(shù)值模型結(jié)果和對(duì)比

4.3.1力時(shí)程結(jié)果對(duì)比

4.3.2豎向位移結(jié)果對(duì)比

4.3.3混凝土應(yīng)變結(jié)果對(duì)比

4.3.4高應(yīng)變率試驗(yàn)?zāi)M

4.4分析及討論

4.4.1率相關(guān)效應(yīng)

4.4.2破壞現(xiàn)象

4.4.3系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換過程

4.4.4顆粒元能量轉(zhuǎn)化及對(duì)比

4.5本章小結(jié)第5章無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土動(dòng)力沖擊性能試驗(yàn)研究

5.1概述

5.2試件及試驗(yàn)裝置

5.2.1無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土試件

5.2.2試驗(yàn)裝置及測(cè)量

5.3不同配筋率混凝土梁有效預(yù)應(yīng)力影響研究

5.3.1鋼筋動(dòng)應(yīng)變

5.3.2混凝土梁開裂過程

5.3.3混凝土梁動(dòng)力承載力變化及豎向變形

5.3.4能量分析

5.4不同配筋率混凝土梁率相關(guān)研究

5.4.1鋼筋動(dòng)應(yīng)變

5.4.2承載力率相關(guān)分析

5.5不同配筋率混凝土梁多次沖擊影響研究

5.5.1鋼筋動(dòng)應(yīng)變

5.5.2承載力及豎向位移變化

5.5.3混凝土裂紋寬度變化

5.6本章小結(jié)

第6章顆粒元有限差耦合模型及預(yù)應(yīng)力混凝土沖擊試驗(yàn)仿真

6.1概述

6.2顆粒元有限差耦合模型

6.2.1有限差分法

6.2.2顆粒元有限差耦合算法

6.2.3顆粒元有限差全系統(tǒng)模型

6.3數(shù)值模型結(jié)果和對(duì)比分析

6.3.1數(shù)值結(jié)果對(duì)比

6.3.2能量過程分析與對(duì)比

6.4本章小結(jié)

第7章混凝土梁初始靜載影響的細(xì)觀動(dòng)力仿真與研究

7.1概述

7.2初始靜載影響的試驗(yàn)研究

7.3基于細(xì)觀顆粒元的初始靜載影響分析

7.3.1動(dòng)力強(qiáng)度增長(zhǎng)段

7.3.2動(dòng)力強(qiáng)度下降段

7.4本章小結(jié)

第8章結(jié)論及展望

8.1主要研究成果和結(jié)論

8.2研究展望

參考文獻(xiàn)在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究項(xiàng)目致謝2100433B

第1章 緒論

1.1 混凝土類材料的破損過程

1.2 混凝土靜態(tài)力學(xué)理論研究

1.2.1 斷裂力學(xué)模型

1.2.2 損傷力學(xué)模型

1.2.3 細(xì)觀損傷模型

1.3 混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究

1.3.1 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究成果

1.3.2 理論研究成果

1.4 混凝土細(xì)觀力學(xué)的研究

1.4.1 混凝土力學(xué)行為研究的層次方法

1.4.2 混凝土細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

1.4.3 細(xì)觀力學(xué)數(shù)值仿真預(yù)處理研究

1.4.4 混凝土細(xì)觀力學(xué)的數(shù)值仿真研究

1.5 本書的框架與內(nèi)容簡(jiǎn)介

本章參考文獻(xiàn)

第2章 混凝土細(xì)觀力學(xué)預(yù)處理方法

2.1 概述

2.2 隨機(jī)變量及其產(chǎn)生方法

2.2.1 蒙特卡羅方法簡(jiǎn)介

2.2.2 隨機(jī)數(shù)及其產(chǎn)生

2.3 隨機(jī)骨料的生長(zhǎng)

2.3.1 二維骨料的生長(zhǎng)

2.3.2 三維骨料的生長(zhǎng)

2.4 基于分層擺放法的混凝土細(xì)觀力學(xué)預(yù)處理方法

2.4.1 隨機(jī)骨料的投放

2.4.2 隨機(jī)骨料有限元網(wǎng)格坐標(biāo)的生成

2.5 基于背景網(wǎng)格的混凝土細(xì)觀力學(xué)預(yù)處理方法

2.5.1 背景網(wǎng)格的生成

2.5.2 基于背景網(wǎng)格的骨料侵入的判定方法

2.5.3 分級(jí)配投放

2.5.4 混凝土細(xì)觀三相介質(zhì)識(shí)別

2.6 兩種預(yù)處理方法對(duì)比

本章參考文獻(xiàn)。

第3章 混凝土多相細(xì)觀力學(xué)有限元模型

3.1 混凝土多相細(xì)觀力學(xué)損傷斷裂模型

3.1.1 數(shù)值模型的基本思路

3.1.2 細(xì)觀單元的損傷本構(gòu)關(guān)系

3.2 非線性損傷斷裂分析的有限元法

3.2.1 有限元隱式解法

3.2.2 有限元顯式解法

3.2.3 算法對(duì)比分析

3.3 算例分析

3.3.1 Petersson三點(diǎn)彎曲切口梁試驗(yàn)

3.3.2 拉剪混合破壞切口梁試驗(yàn)

本章參考文獻(xiàn)

第4章 細(xì)觀力學(xué)參數(shù)非均質(zhì)隨機(jī)分布（Weibull分布）模型的改進(jìn)

4.1 概述

4.2 Weibull統(tǒng)計(jì)分布的基本理論

4.3 Weibull統(tǒng)計(jì)分布的數(shù)值實(shí)現(xiàn)

4.4 不同均質(zhì)度對(duì)混凝土性能的影響

4.4.1 隨機(jī)樣本的有限元模型

4.4.2 計(jì)算結(jié)果分析

4.5 隨機(jī)場(chǎng)相關(guān)因子對(duì)材料性能的影響——Weibull分布模型的改進(jìn)

4.5.1 隨機(jī)場(chǎng)相關(guān)尺度的引入

4.5.2 相關(guān)尺度的數(shù)值實(shí)現(xiàn)

4.5.3 算例分析

本章參考文獻(xiàn)

第5章 混凝土多相細(xì)觀力學(xué)性能試驗(yàn)研究與數(shù)值仿真

5.1 概述

5.2 堆石混凝土材料的研究現(xiàn)狀

5.3 三相介質(zhì)力學(xué)性能的試驗(yàn)研究

5.3.1 試件的制備

5.3.2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)步驟

5.3.3 試驗(yàn)結(jié)果

5.4 用多相細(xì)觀力學(xué)模型研究堆石混凝士陛能

5.4.1 基本條件

……

第6章 基于多尺度均勻化理論建立混凝土多相細(xì)觀-宏觀力學(xué)特性的橋梁

第7章 用混凝土等效概率模型研究強(qiáng)度尺寸效應(yīng)——實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真

第8章 混凝土等效概率模型在混凝土重力壩抗震分析中的應(yīng)用

第9章 顆粒離散元數(shù)值模型與混凝土細(xì)觀力學(xué)參數(shù)反演

第10章 混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的細(xì)觀離散元數(shù)值模擬

第11章 混凝土沖擊劈拉試驗(yàn)與細(xì)觀離散元數(shù)值仿真

第12章 混凝土沖擊壓縮試驗(yàn)與細(xì)觀離散元數(shù)值仿真 2100433B