基于Voronoi隨機骨料模型的混凝土受拉細(xì)觀數(shù)值研究.pdf

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4、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。隨著計算機科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在細(xì)觀層次上對材料進(jìn)行研究越來越普遍，且細(xì)觀下更能夠揭示材料的破壞機理，對實驗研究具有很好的指導(dǎo)作用，因此文中從細(xì)觀角度對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)對混凝土抗拉性能的影響。具體工作如下：對于利用Voronoi方法建立起來的混凝土三維的細(xì)觀模型來說

5、，由于骨料形狀的隨機性，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)量以及計算的收斂性。本文通過對模型中的每個夾角大小和棱邊長度進(jìn)行計算，找出不滿足分析要求的夾角和棱邊，運用微切削的方法對相應(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。并采用該模型對混凝土在單軸拉伸作用下的力學(xué)性能進(jìn)行計算和分析，其計算結(jié)果與實驗值吻合度較好，證明了模型的適宜性和I太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文可靠性，為混凝土在細(xì)觀層次上的有限元分析提供了可靠的計算模型。由于二維混凝土細(xì)觀模型具有建模方便，計算速度快，結(jié)果易觀察等優(yōu)點，文中首

6、先建立了混凝土二維細(xì)管模型研究了骨料形狀對混凝在準(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混凝土抗拉性能的影響較小，三種骨料形狀對應(yīng)的混凝土模型彈性模量和抗拉強度基本一致。通過對比它們的應(yīng)力和應(yīng)變云圖可以發(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

7、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，作為混凝土中較為薄弱的界面過渡區(qū)，在混凝土模型受拉破壞的初期最開始產(chǎn)生損傷并擴(kuò)展，影響混凝土的抗拉強度，使得混凝土更早的進(jìn)入軟化階段，因而在對混凝土實際問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%，

8、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；同時三維的Vorono