本文關(guān)鍵詞：循環(huán)載荷作用下混凝土疲勞裂紋擴展的數(shù)值模擬

  更多相關(guān)文章： 混凝土 疲勞裂紋擴展 細觀模型 宏、細觀分析 數(shù)值模擬 材料子程序

【摘要】：混凝土作為一種多相復(fù)合材料,其在細觀層次上可以被認為由粗骨料、水泥砂漿以及它們之間的界面過渡區(qū)(簡稱ITZ)組成,其各相材料中都以微裂紋或微孔洞的形式存在著許多初始缺陷,在疲勞載荷的作用下,這些初始缺陷與混凝土細觀結(jié)構(gòu)共同影響著材料整體的疲勞性能以及宏觀響應(yīng)。與靜力加載條件下的混凝土宏、細觀研究相比,疲勞加載條件下混凝土宏、細觀分析的研究相對較少,而混凝土疲勞問題也是工程應(yīng)用中需要解決的問題之一。本文根據(jù)混凝土疲勞裂紋擴展不同階段的特征,采用細觀與宏觀建模分析方法對混凝土中疲勞裂紋萌生、擴展以及試件破壞的全過程進行了分析,揭示了混凝土材料疲勞破壞的細觀與宏觀機理。文中建立了一種混凝土多相細觀模型,其中的骨料形狀、分布以及ITZ厚度均與實際混凝土相一致,該模型不對裂紋萌生位置作事先假設(shè),能夠真實地反映混凝土中疲勞裂紋萌生的過程。模型的建立通過PYTHON語言編寫的一體化腳本程序?qū)崿F(xiàn),有效地提高了建模分析的效率。針對疲勞分析的特點,設(shè)置了基于循環(huán)塊的求解過程,有效地實現(xiàn)了疲勞載荷作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的求解,并利用FORTRAN語言編寫了混凝土細觀組分的材料子程序,實現(xiàn)了與加載次數(shù)以及變形相關(guān)的材料疲勞損傷演化模型的模擬,同時證明了該材料子程序的準確性。利用以上建立的細觀模型,分析了骨料位置隨機性、骨料體積分數(shù)以及應(yīng)力水平對于混凝土材料疲勞裂紋擴展與試件破壞的影響,數(shù)值模擬結(jié)果說明該模型對于不同細觀結(jié)構(gòu)的混凝土材料以及不同的加載條件都有較好的適用性。文中還提出了細觀與宏觀模型轉(zhuǎn)換的分析方法,通過合理地劃分細觀與宏觀模型在分析過程中的適用界限,實現(xiàn)了與混凝土材料不同疲勞損傷階段相適應(yīng)的建模分析過程,同時通過模型間的數(shù)據(jù)傳遞,實現(xiàn)了細觀與宏觀模型的分析過程連接,保證了整個混凝土疲勞分析過程的連續(xù)性。其中宏觀模型由PYTHON語言編寫的腳本程序建立,實現(xiàn)了裂紋動態(tài)擴展過程的模擬與混凝土疲勞壽命的預(yù)測。該模型中的混凝土材料疲勞參數(shù)由相應(yīng)的數(shù)值實驗擬合得到,與混凝土材料的一般取值符合較好。以上考慮混凝土材料不同疲勞階段特點的分析模型很好地描述了混凝土中損傷演化與裂紋擴展的特征,闡釋了混凝土疲勞破壞的深層機理。
【關(guān)鍵詞】：混凝土 疲勞裂紋擴展 細觀模型 宏、細觀分析 數(shù)值模擬 材料子程序
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TU528;O346.1
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-18
• 1.1 工程背景及研究意義10-11
• 1.2 混凝土疲勞破壞的研究現(xiàn)狀11-15
• 1.2.1 混凝土疲勞破壞的宏觀研究方法11-13
• 1.2.2 混凝土疲勞破壞的細觀研究方法13-15
• 1.3 本文的主要工作15-18
• 第二章 混凝土疲勞破壞的基本理論18-28
• 2.1 疲勞破壞的基本特征18
• 2.2 混凝土疲勞破壞的損傷力學(xué)基礎(chǔ)18-22
• 2.3 疲勞破壞的斷裂力學(xué)基礎(chǔ)22-26
• 2.4 本章小結(jié)26-28
• 第三章 混凝土材料細觀疲勞分析模型的建立28-54
• 3.1 混凝土細觀材料的本構(gòu)模型28-30
• 3.1.1 水泥砂漿和ITZ的疲勞損傷本構(gòu)關(guān)系28-29
• 3.1.2 材料參數(shù)的確定29-30
• 3.2 基于循環(huán)塊的結(jié)構(gòu)求解過程30-32
• 3.3 材料模型的程序?qū)崿F(xiàn)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 材料子程序的驗證36-37
• 3.5 循環(huán)塊數(shù)量與計算精度的關(guān)系37-38
• 3.6 混凝土多相細觀模型的建立38-42
• 3.6.1 隨機骨料投放38-41
• 3.6.2 模型參數(shù)的確定41-42
• 3.7 有限元計算模型及過渡性網(wǎng)格劃分42-43
• 3.8 循環(huán)加載過程模擬43-44
• 3.9 細觀模型的計算結(jié)果分析44-52
• 3.9.1 混凝土試件的應(yīng)力重分布44-45
• 3.9.2 混凝土試件的疲勞損傷與裂紋擴展45-52
• 3.10 本章小結(jié)52-54
• 第四章 細觀結(jié)構(gòu)及應(yīng)力水平對混凝土疲勞裂紋擴展的影響54-66
• 4.1 骨料位置隨機性對于裂紋擴展的影響54-56
• 4.2 應(yīng)力水平對于混凝土試件疲勞裂紋擴展的影響56-58
• 4.3 骨料體積分數(shù)對混凝土疲勞裂紋擴展的影響58-64
• 4.4 混凝土細觀疲勞分析模型評估64-65
• 4.5 本章小結(jié)65-66
• 第五章 宏觀裂紋擴展導(dǎo)致的混凝土疲勞破壞分析66-100
• 5.1 混凝土材料疲勞參數(shù)的擬合66-81
• 5.1.1 裂紋尖端位置數(shù)據(jù)的采集67-68
• 5.1.2 參數(shù)擬合過程中裂紋的選取規(guī)則68-69
• 5.1.3 應(yīng)力強度因子幅值的計算及混凝土疲勞參數(shù)擬合69-81
• 5.2 細觀模型與宏觀模型的分析過程連接以及數(shù)據(jù)傳遞81-84
• 5.2.1 模型轉(zhuǎn)換時機的確定82-83
• 5.2.2 細觀模型與宏觀模型間的數(shù)據(jù)傳遞83-84
• 5.3 基于Pairs法則的裂紋擴展過程模擬以及混凝土試件疲勞壽命預(yù)測84-99
• 5.3.1 含裂紋混凝土模型的建立84-85
• 5.3.2 疲勞裂紋擴展模擬85-87
• 5.3.3 混凝土試件疲勞壽命估計以及破壞形式分析87-94
• 5.3.4 骨料體積分數(shù)對于混凝土試件疲勞壽命以及破壞形式的影響94-96
• 5.3.5 應(yīng)力水平對于混凝土試件疲勞破壞的影響96-99
• 5.4 本章小結(jié)99-100
• 第六章 結(jié)論與展望100-102
• 6.1 研究結(jié)論100-101
• 6.2 研究展望101-102
• 參考文獻102-106
• 致謝106-108
• 附錄A 材料子程序UMAT-MATRIX108-112
• 附錄B 疲勞裂紋擴展分析程序112-118

【參考文獻】

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