普通混凝土和鋼纖維水泥砂漿（SFRC）均為典型的水泥基復(fù)合材料,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細觀非均質(zhì)性對材料宏觀性能影響顯著,采用普通的宏觀力學(xué)試驗或均質(zhì)的數(shù)值模型難以分析內(nèi)部各相介質(zhì)（骨料、基體、界面和纖維）對試件宏觀性能的影響。定向鋼纖維水泥砂漿（ASFRC）作為一種典型的各向異性材料,目前,對其斷裂失效特性以及定向纖維的阻裂增韌機理尚缺乏充分的研究。因此,本文通過建立宏細觀數(shù)值模型,開展以下關(guān)于水泥基復(fù)合材料斷裂失效機理的研究:（1）將裂縫擴展區(qū)看作細觀非均勻材料,建立了混凝土細觀有限元模型。采用擴展有限元法模擬混凝土細觀斷裂全過程。在驗證細觀模型可靠性的基礎(chǔ)上,進而研究了骨料分布以及含量對裂縫擴展的影響。結(jié)果表明:不同骨料分布對峰值荷載及裂縫擴展路徑影響較小,但對P-CMOD曲線的下降段影響較大,骨料含量只在局部范圍內(nèi)影響裂縫的擴展路徑,結(jié)構(gòu)整體的裂縫擴展方向幾乎不受影響。（2）利用混合同余法生成隨機數(shù)模擬鋼纖維的位置坐標,基于本文設(shè)計的纖維相交判定準則,建立了三維鋼纖維水泥砂漿數(shù)值模型;對模型截面的纖維含量進行統(tǒng)計并與試件截面統(tǒng)計的結(jié)果進行對比。考慮鋼纖維與砂漿基體的粘結(jié)滑移作用,基于擴展有限元法,模擬了不同纖維體積摻量的ASFRC試件軸拉斷裂全過程。結(jié)果表明:模型截面鋼纖維含量與試驗統(tǒng)計結(jié)果較為一致,模擬得到的全曲線結(jié)果與試驗結(jié)果對比較好,纖維摻量較高的ASFRC試件在單軸拉伸作用下呈現(xiàn)多裂縫擴展破壞。（3）基于粘聚裂紋模型模擬了ASFRC三點彎曲梁斷裂全過程并與已有試驗結(jié)果進行對比。研究了基體不同粘聚律對ASFRC彎曲斷裂全過程的影響。分別模擬了不同尺寸以及纖維呈不同角度定向分布試件的斷裂全過程。結(jié)果表明:ASFRC彎曲梁的數(shù)值結(jié)果與試驗結(jié)果對比較好,粘聚律的變化對斷裂全曲線影響較小;隨著試件尺寸的增大,ASFRC三點彎曲梁的宏觀名義強度存在一定的尺寸效應(yīng);纖維分布方向與主拉應(yīng)力的夾角超過60o時,對水泥砂漿試件彎曲斷裂的峰值荷載增強不顯著。（4）基于考慮加載率效應(yīng)的粘聚裂紋模型以及等效纖維本構(gòu)關(guān)系,建立VUMAT子程序模擬了SFRC和ASFRC三點彎曲梁沖擊斷裂失效全過程。對比分析了加載速率對SFRC和ASFRC三點彎曲梁抗沖擊性能的影響。結(jié)果表明:在沖擊荷載作用下,ASFRC試件內(nèi)的纖維所耗散的總能量顯著高于SFRC試件,纖維定向可顯著提高水泥基復(fù)合材料抵抗沖擊破壞的能力。隨著落錘沖擊速率的提高,定向纖維的耗散能最大值逐漸增大,而亂向纖維的耗散能最大值略有下降,且定向和亂向纖維的耗散能曲線達到峰值后出現(xiàn)陡降過程,曲線下降段與低速加載的結(jié)果接近。

 

河北工業(yè)大學(xué)天津市211工程院校

 

【學(xué)位級別】：碩士

 

頁數(shù)：90

 

文章目錄

摘要

abstract

第一章 緒論

    1.1 研究的背景及意義

    1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

        1.2.1 混凝土斷裂數(shù)值模擬分析

        1.2.2 鋼纖維混凝土斷裂特性模擬分析

            1.2.2.1 靜態(tài)分析

            1.2.2.2 動態(tài)模擬

        1.2.3 ASFRC材料力學(xué)性能的研究

    1.3 本文研究內(nèi)容

第二章 混凝土宏細觀斷裂特性分析

    2.1 混凝土細觀數(shù)值模型

        2.1.1 蒙特卡洛隨機抽樣原理

        2.1.2 隨機骨料生成

    2.2 擴展有限元法的基本原理

    2.3 宏細觀模型及失效準則的建立

        2.3.1 建立混凝土重力壩模型

        2.3.2 材料失效準則及計算參數(shù)

    2.4 模型試算

        2.4.1 模型驗證

        2.4.2 骨料分布對裂縫擴展的影響

        2.4.3 骨料含量對裂縫擴展的影響

    2.5 本章結(jié)論

第三章 定向鋼纖維增強水泥基復(fù)合材料細觀斷裂分析

    3.1 鋼纖維生成算法

        3.1.1 纖維位置和方向

        3.1.2 邊界條件和相交判斷

    3.2 生成算法的實現(xiàn)及可靠性驗證

        3.2.1 鋼纖維投放流程

        3.2.2 數(shù)值模型的建立

        3.2.3 截面纖維含量統(tǒng)計分析

    3.3 基體和鋼纖維的本構(gòu)關(guān)系

        3.3.1 基體本構(gòu)關(guān)系

        3.3.2 纖維拔出試驗及等效本構(gòu)關(guān)系

    3.4 模型試算

        3.4.1 有限元模型的建立

        3.4.2 數(shù)值模擬結(jié)果

    3.5 本章結(jié)論

第四章 SFRC和 ASFRC彎曲斷裂細觀模擬分析

    4.1 粘聚裂紋模型

        4.1.1 粘聚單元

        4.1.2 粘聚單元的牽引力-位移關(guān)系

    4.2 ASFRC材料的斷裂全過程模擬分析

        4.2.1 三點彎曲斷裂模型

        4.2.2 鋼纖維等效本構(gòu)

        4.2.3 模型試算及可靠性分析

    4.3 粘聚律類型對ASFRC材料斷裂性能的影響

    4.4 ASFRC彎曲強度的尺寸效應(yīng)分析

    4.5 纖維分布方向?qū)�SFRC材料斷裂性能的影響

        4.5.1 模型建立

        4.5.2 數(shù)值模擬結(jié)果

    4.6 本章結(jié)論

第五章 鋼纖維增強水泥基復(fù)合材料沖擊斷裂失效分析

    5.1 粘聚裂紋模型的VUMAT子程序開發(fā)

        5.1.1 單元失效準則

        5.1.2 VUMAT子程序的編譯

    5.2 基體和纖維的動態(tài)加載率效應(yīng)

        5.2.1 基體開裂的率效應(yīng)

        5.2.2 纖維拔出的率效應(yīng)

    5.3 三維單元的測試驗證

    5.4 SFRC與 ASFRC的沖擊斷裂全過程模擬

        5.4.1 斷裂全過程分析

        5.4.2 沖擊斷裂的率效應(yīng)分析

    5.5 本章結(jié)論

第六章 結(jié)論與展望

    6.1 研究結(jié)論

    6.2 研究展望

參考文獻

攻讀碩士學(xué)位期間取得的研究成果

致謝

 

參考文獻

 

期刊論文

 

[1]鋼纖維混凝土澆筑過程中纖維運動的數(shù)值模擬[J]. 畢繼紅,徐達,鮑春,關(guān)健.  天津大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程技術(shù)版). 2017(06)

[2]自密實混凝土中鋼纖維分布和取向的數(shù)值模擬方法[J]. 畢繼紅,鮑春,關(guān)健,徐達.  混凝土. 2017(04)

[3]定向鋼纖維水泥基復(fù)合材料斷裂理論分析及試驗[J]. 卿龍邦,聶雅彤,慕儒,程蘭婷,王曉偉.  材料科學(xué)與工程學(xué)報. 2017(02)

[4]鋼纖維分布形式及試件尺寸對水泥基復(fù)合材料彎曲性能的影響[J]. 田穩(wěn)苓,馬林翔,卿龍邦,慕儒.  混凝土. 2016(08)

[5]兩種不同加載方法下的混凝土剪切斷裂過程對比研究[J]. 胡少偉,胡亮.  土木工程學(xué)報. 2016(06)

[6]定向鋼纖維水泥基復(fù)合材料的纖維分布研究[J]. 田穩(wěn)苓,馬林翔,張楷婕,王浩宇.  建筑科學(xué). 2016(03)

[7]定向鋼纖維混凝土中的鋼纖維分布X-ray CT分析[J]. 慕儒,馬艷奉,李輝,王曉偉,張萍.  電子顯微學(xué)報. 2015(06)

[8]基于擴展有限元進行鋼筋混凝土柱捏攏效應(yīng)的機理分析[J]. 余江滔,許萬里,林建輝,甕文芳.  工程力學(xué). 2015(11)

[9]混凝土三維參數(shù)化骨料模型的創(chuàng)建方法[J]. 宋來忠,周斌,彭剛,姜袁.  固體力學(xué)學(xué)報. 2015(03)

[10]混雜纖維混凝土二維隨機建模方法[J]. 任志剛,徐彬,程書懷.  武漢理工大學(xué)學(xué)報. 2015(04)

 

 

博士論文

 

[1]細觀混凝土分析模型與方法研究[D]. 金瀏.北京工業(yè)大學(xué) 2014

[2]混凝土架構(gòu)模型研究[D]. 曹明莉.大連理工大學(xué) 2009

 

碩士論文

 

[1]鋼纖維混凝土細觀層次數(shù)值模擬研究[D]. 劉豐.華南理工大學(xué) 2014

[2]鋼纖維混凝土動態(tài)拉伸與數(shù)值模擬[D]. 范立新.廣州大學(xué) 2013

[3]鋼纖維高強混凝土墻的抗爆性能有限元分析[D]. 李楠.長安大學(xué) 2012

[4]混凝土架構(gòu)模型的數(shù)值模擬研究[D]. 程偉峰.大連理工大學(xué) 2008