基于格构模型的混凝土开裂过程多尺度数值研究

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1、硕士学位论文基于格构模型的混凝土开裂过程多尺度数值研究MULTISCALENUMERICALSTUDYOFCONCRETECRACKINGPROCESSBASEDONLATTICEMODEL陈前哈尔滨工业大学2014年7月国内图书分类号：TU311.4学校代码：10213国际图书分类号：624密级：公开工程硕士学位论文基于格构模型的混凝土开裂过程多尺度数值研究硕士研究生：陈前导师：关新春教授申请学位：工程硕士学科：建筑与土木工程所在单位：土木工程学院答辩日期：2014年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学-1-Clas

2、sifiedIndex:TU311.4U.D.C:624DissertationfortheMaster’sDegreeinEngineeringMULTISCALENUMERICALSTUDYOFCONCRETECRACKINGPROCESSBASEDONLATTICEMODELCandidate：ChenQianSupervisor：Prof.GuanXinchunAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：ArchitectureandCivil

3、EngineeringAffiliation：SchoolofCivilEngineeringDateofDefense：July,2014DegreeConferringInstitution：HarbinInstituteofTechnology摘要混凝土是一种多相复合的非匀质材料，其开裂过程与内部结构密不可分。许多年来，国内外大量的研究者致力于水泥基材料开裂过程的研究，提出过大量的裂缝模型，但基本停留于宏观层次研究，没有深入到材料微观结构，也很难给出裂缝动态开裂过程。针对上述问题，本文将多尺度方法与格构断裂模

4、型相结合，首先开发了一种实时跟踪裂缝宽度动态变化过程的Python程序算法完成了微观尺度下水泥浆体格构断裂分析，然后针对细观尺度随机骨料投放，提出了采用HYMOSTRUC3D模型快速生成三维随机球形骨料模型研究了细观尺度砂浆与混凝土的开裂过程。本文主要研究内容如下：采用随机度的概念定量描述了水泥基材料不规则、非匀质性质，并分析了随机度对格构断裂模拟的影响。结果表明：随机度能够反映了材料内部物相不均匀程度。随着随机度增大，格构模型整体弹性模量，抗拉强度以及峰值应变均减小。基于格构断裂模型的计算理论，推导了格构模型裂缝

5、宽度理论计算公式，编写了MATLAB以及Python程序，将其植入商用有限元计算软件ABAQUS中，能够跟踪格构模型不同应力水平下裂缝宽度数值变化。该程序算法的基本思想为：每次格构断裂计算中，不从格构系统中直接剔除σ/ft比值最大单元，而是设置为裂缝单元，裂缝单元是指单元的弹性模量数值设置为相对于其他格构单元可以忽略不计，即二者弹性模量的比值趋于0。通过计算裂缝单元节点位移增量得到变形量的精确值，如果每次重新计算数据库中所有裂缝单元的变形量，那么，就实现了对不同应力水平下裂缝宽度变化跟踪计算。本文数值结果表明，本算

6、法能够有效追踪裂缝宽度动态变化过程。在随机骨料模型方面，本文利用MATLAB编程进行数字图像处理，借鉴F.Bernard采用NIST'sCEMHYD3D程序代码生成了砂浆结构模型的方法，提出采用HYMOSTRUC模型快速生成三维随机球形骨料模型。这解决了当前混凝土数值模拟中随机骨料投放效率低下的问题。基于递阶的多尺度建模方法，采用HYMOSTRUC3D模型生成了水泥浆体微观结构晶格图像，并离散化为二维晶格图像建立格构网络模型。对微观尺度下水泥浆体进行格构系统线弹性有限元计算。将微观尺度下得到的水泥浆体本构关系作为细

7、观尺度下砂浆格构分析的输入参数，对细观尺度砂浆进行非线性有限元计算，这种非线性是通过多步迭代降低单元的弹性模量与抗拉强度的方法实现的。按照这样的多尺度格构断裂分析方法得到了混凝土的应力应变曲线、裂缝位置分布图、不同应力水平下的裂缝宽度分布等。特别地，从裂缝位置分布图来看，裂缝最先-I-在初始孔隙周围产生，然后逐渐向内部扩展形成主裂缝，裂缝宽度分布总是表现出两个正态分布的叠加，第一个正态分布均值代表微裂缝宽度，且微裂缝数目大多占50%左右；第二个正态分布均值代表大裂缝宽度，且裂缝数目与应力水平相关。裂缝分布图表明：砂

8、浆与混凝土中裂缝首先在界面过渡区产生然后逐渐向水泥浆或砂浆基体中发展。关键词：混凝土；开裂过程；格构模型；多尺度；数值研究-II-AbstractConcreteisacompositeofmultiphaseheterogeneousmaterials,itscrackingprocessandinternalstructureareinseparable