本文關(guān)鍵詞：基于Voronoi隨機(jī)骨料模型的混凝土受拉細(xì)觀數(shù)值研究

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【摘要】：混凝土是一種由骨料和水泥砂漿組成的非均質(zhì)復(fù)合材料,由于其原材料豐富、價(jià)格低廉,生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn),從而被廣泛地使用于建筑等領(lǐng)域。作為被使用最廣泛的建筑材料之一的混凝土,其抗拉性能是影響混凝土結(jié)構(gòu)整體性能的關(guān)鍵因素。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,在細(xì)觀層次上對(duì)材料進(jìn)行研究越來(lái)越普遍,且細(xì)觀下更能夠揭示材料的破壞機(jī)理,對(duì)實(shí)驗(yàn)研究具有很好的指導(dǎo)作用,因此文中從細(xì)觀角度對(duì)混凝土的抗拉性能進(jìn)行數(shù)值模擬研究。由于Voronoi圖形的多邊形(多面體)與混凝土骨料具有良好的相似性,本文利用Voronoi方法建立了混凝土的二維和三維的細(xì)觀模型,分別研究了骨料的形狀和體積分?jǐn)?shù)對(duì)混凝土抗拉性能的影響。具體工作如下:對(duì)于利用Voronoi方法建立起來(lái)的混凝土三維的細(xì)觀模型來(lái)說(shuō),由于骨料形狀的隨機(jī)性,使得骨料表面不可避免的出現(xiàn)了一些特別小的棱邊和夾角,這嚴(yán)重地影響了有限元模型的網(wǎng)格質(zhì)量以及計(jì)算的收斂性。本文通過(guò)對(duì)模型中的每個(gè)夾角大小和棱邊長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算,找出不滿足分析要求的夾角和棱邊,運(yùn)用微切削的方法對(duì)相應(yīng)的骨料進(jìn)行幾何優(yōu)化,得到了較好的有限元網(wǎng)格質(zhì)量。并采用該模型對(duì)混凝土在單軸拉伸作用下的力學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算和分析,其計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合度較好,證明了模型的適宜性和可靠性,為混凝土在細(xì)觀層次上的有限元分析提供了可靠的計(jì)算模型。由于二維混凝土細(xì)觀模型具有建模方便,計(jì)算速度快,結(jié)果易觀察等優(yōu)點(diǎn),文中首先建立了混凝土二維細(xì)管模型研究了骨料形狀對(duì)混凝在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸作用下力學(xué)行為的影響,在二維的細(xì)觀模型中主要考慮了voronoi多邊形骨料、圓形骨料和正方形骨料,然后建立了混凝土三維細(xì)管模型進(jìn)行研究,主要考慮了voronoi多面體、球形骨料和立方體三種骨料模型。結(jié)果顯示:不管是混凝土的二維細(xì)觀模型,還是三維細(xì)觀模型,本文所考慮的骨料形狀對(duì)混凝土抗拉性能的影響較小,三種骨料形狀對(duì)應(yīng)的混凝土模型彈性模量和抗拉強(qiáng)度基本一致。通過(guò)對(duì)比它們的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D可以發(fā)現(xiàn),在相同的加載位移下,應(yīng)力和應(yīng)變的分布也基本相同,集中應(yīng)力峰值變略有差別,voronoi模型中的應(yīng)力峰值略高,正方形(立方體)骨料模型中次之,圓形(球形)骨料模型中最小,因此,在名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線中,voronoi模型最先發(fā)生軟化,而后是正方形(立方體)骨料模型和圓形(球形)骨料模型。在二維中考慮了骨料和砂漿界面相,由模擬結(jié)果可見(jiàn),作為混凝土中較為薄弱的界面過(guò)渡區(qū),在混凝土模型受拉破壞的初期最開(kāi)始產(chǎn)生損傷并擴(kuò)展,影響混凝土的抗拉強(qiáng)度,使得混凝土更早的進(jìn)入軟化階段,因而在對(duì)混凝土實(shí)際問(wèn)題的研究中考慮其界面相非常重要。利用上述建立的混凝土二維和三維的細(xì)觀模型,研究了骨料體積分?jǐn)?shù)對(duì)混凝在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸作用下力學(xué)行為的影響;二維voronoi模型考慮了22%,33%,41%,53%和62.3%五種粗骨料體積分?jǐn)?shù)下混凝土單軸拉伸的力學(xué)行為;同時(shí)三維的voronoi混凝土細(xì)觀模型只考慮了20%,40%,65%三種體積分?jǐn)?shù)下混凝土單軸拉伸的力學(xué)行為。結(jié)果顯示:二維和三維細(xì)觀模型中粗骨料所占的體積分?jǐn)?shù)對(duì)混凝土的抗拉強(qiáng)度、彈性模量等都有影響;粗骨料的體積分?jǐn)?shù)對(duì)混凝土的彈性模量和抗拉強(qiáng)度有較大的影響,彈性模量和抗拉強(qiáng)度都隨著粗骨料體積分?jǐn)?shù)的增加而增加。
【關(guān)鍵詞】：混凝土 Voronoi隨機(jī)骨料模型 數(shù)值模擬 靜態(tài)拉伸 骨料形狀 體積分?jǐn)?shù)
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TU528
【目錄】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-18
• 1.1 研究意義11-12
• 1.2 混凝土的研究尺度12-13
• 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-16
• 1.3.1 研究混凝土力學(xué)性質(zhì)的數(shù)值模型13-14
• 1.3.2 骨料形狀對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響14-16
• 1.3.3 骨料體積分?jǐn)?shù)對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響16
• 1.4 本文研究?jī)?nèi)容16-18
• 第二章 建立基于Voronoi方法的隨機(jī)粗骨料模型18-35
• 2.1 概述18
• 2.2 三維Voronoi圖形介紹18-20
• 2.3 三維隨機(jī)骨料的初始幾何模型20-24
• 2.3.1 生成三維Voronoi圖形胞元的種子點(diǎn)20-22
• 2.3.2 Voronoi圖形中初始胞元的產(chǎn)生和處理22-23
• 2.3.3 隨機(jī)粗骨料模型的邊界設(shè)置23
• 2.3.4 模型參數(shù)選取23-24
• 2.4 粗骨料模型的幾何優(yōu)化24-26
• 2.5 算例分析26-32
• 2.5.1 混凝土單軸拉伸有限元計(jì)算26-30
• 2.5.2 混凝土單軸壓縮有限元計(jì)算30-32
• 2.6 二維Voronoi骨料模型32-34
• 2.7 本章小結(jié)34-35
• 第三章 骨料形狀對(duì)混凝土抗拉性能的影響35-53
• 3.1 概述35
• 3.2 二維混凝土模型靜態(tài)受拉分析35-45
• 3.2.1 混凝土模型設(shè)計(jì)35-37
• 3.2.2 應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D分析37-43
• 3.2.3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析43-44
• 3.2.4 界面過(guò)渡區(qū)對(duì)混凝土的影響44-45
• 3.3 三維混凝土模型靜態(tài)受拉分析45-52
• 3.3.1 混凝土模型設(shè)計(jì)45-47
• 3.3.2 應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D分析47-52
• 3.4 本章小結(jié)52-53
• 第四章 骨料體積分?jǐn)?shù)對(duì)混凝土抗拉性能的影響53-62
• 4.1 概述53
• 4.2 二維混凝土模型受拉分析53-58
• 4.2.1 模擬參數(shù)設(shè)計(jì)53-54
• 4.2.2 應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D分析54-57
• 4.2.3 數(shù)據(jù)曲線分析57-58
• 4.3 三維混凝土隨機(jī)骨料模型受拉分析58-61
• 4.3.1 模擬參數(shù)設(shè)計(jì)58
• 4.3.2 模擬結(jié)果分析58-61
• 4.4 本章小結(jié)61-62
• 第五章 總結(jié)與展望62-65
• 5.1 本文結(jié)論62-63
• 5.2 展望63-65
• 參考文獻(xiàn)65-72
• 致謝72-73
• 攻讀碩士期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文73

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