基于ansys的混凝土心脏受拉损伤细观数值模拟

基于ansys的混凝土心脏受拉损伤细观数值模拟

轴心拉性能是混凝土最基本的机械能力之一，对混凝土结构破坏误差的研究具有重要意义。在进行轴拉试验研究混凝土的抗拉性能时，由于试块加载量大，对仪器的刚性要求高，且中间件的损坏和裂缝很难观察，因此在这方面的研究受到限制。结果表明，混凝土具有不同的层次结构，如微观、细观、宏观。混凝土的宏观力学能在很大程度上取决于细观组成相的性质和结构。因此，通过精细观察的数值模拟，不仅可以获得混凝土样品的测量变量矩阵，还可以捕捉混凝土细节结构与宏观性能之间的内在关系，为详细观察和研究混凝土损害误差机理提供有效手段。已有研究中,Bazant将随机粒子模型中的骨料和基体假定是弹性的,认为颗粒周围的接触层具有拉伸软化的特性,以此来模拟混凝土的断裂过程.Schlangen采用格构模型对混凝土试件在不同荷载和边界条件下的裂缝形式进行了模拟.王宝庭利用刚体-弹簧模型模拟了拉伸荷载下混凝土试件裂缝的扩展,探讨了弹性常数与裂缝密度的关系.张子明基于随机骨料模型,假定细观相材料力学性质满足Weibull分布,对混凝土立方体试件进行了单轴压缩、拉伸数值模拟.李建波对比了细观相力学参数在不同随机分布下对混凝土宏观力学性质的影响,得到了试件应力—应变曲线峰值前后的变化.以上模拟都是基于二维模型,这与构件的空间受力状态存在一定的差异.在三维模型方面,Caballero把骨料与砂浆之间的结合面处理成零厚度界面单元,将其作为裂缝扩展面,对不同骨料含量的立方体试件进行了轴心受拉数值模拟,得到了裂缝的发展过程和试件的应力—应变曲线.夏晓舟应用渐变网格剖分法生成三维随机骨料分布的细观模型,分别模拟了混凝土立方体、圆柱体等试件的单轴拉伸、压缩、劈拉等的损伤破坏过程.Landis、田威采用数字图像处理技术,对试件中骨料的位置以及裂缝的发展进行了较为真实的模拟.这些模型虽然模拟了骨料在空间上的随机分布,却没有考虑细观相材料非均匀性的特点.事实上,混凝土是具有复杂力学性质的非均匀复合材料,微裂缝的产生和扩展机制与细观单元的力学性质有着直接的联系.本文综合考虑骨料随机分布和材料力学参数非均匀性的影响,在前期混凝土的三维随机骨料随机力学特性细观数值模型研究的基础上,建立了棱柱体轴心受拉试件,通过数值模拟,捕捉了单轴拉伸情况下混凝土从损伤至破坏各阶段的特点,追踪了裂缝的演化过程,得到了拉伸应力—应变全曲线,在细观层次分析了混凝土的损伤破坏机理.1混凝土轴的位移测试部分的数值模拟1.1受拉试件细观模型基于有限元软件ANSYS,采用本文作者在文献中提出的混凝土三维细观数值模型的建模方法建立轴心受拉试件数值模型.将混凝土看作是由骨料、砂浆基质以及两者之间的界面组成的三相复合材料,采用骨料投影网格法结合占位剔除算法,实现骨料在砂浆基质中的随机分布.为表征混凝土各细观相材料参数的非均匀性,采用按某种概率分布进行随机赋值,由于骨料性质较为均匀,将不同骨料颗粒的材料属性按照假定的随机分布数值序列来赋值,而组成同一骨料颗粒的各个单元则赋予同一力学参数值.砂浆和界面单元的材料参数则直接由随机分布数值序列赋值.骨料采用带残余强度的弹脆性损伤本构模型,其拉伸损伤演化方程见式(1),砂浆和界面均采用双折线损伤本构模型,其拉伸损伤演化方程见式(2).在细观层次,混凝土中的骨料和硬化水泥砂浆都可以看作是脆性材料,混凝土由拉力导致的开裂很容易扩展、贯通.由此可以认为混凝土的受力变形与损伤破坏主要是拉伸变形起控制作用.因此,采用最大拉应变准则作为破坏准则,即当细观单元的拉伸主应变达到给定的极限值时,该单元开始发生拉伸损伤.式中,εt0为拉应力强度峰值对应的应变;εtr为抗拉残余强度对应的残余应变,εtr=ηεt0,η为残余应变系数;εtu为极限拉应变,εtu=ξεt0,ξ为极限应变系数;ftr为抗拉残余强度,ftr=λE0εt0,λ为残余强度系数,E0为初始弹性模量.文中砂浆单元的η取4,界面单元的η取3,λ均取0.1;ξ均取10.轴心受拉试件细观数值模型参照文献中的试验,选用100mm×100mm×200mm棱柱体.文献中试件混凝土弹性模量均值为28MPa,抗拉强度为3MPa.数值模型假设砂浆的弹性模量为混凝土的90%,其强度比混凝土高20%,界面的弹性模量和强度取为砂浆的90%,骨料的弹性模量和强度以及各细观相材料均质度的取值参照文献,弹性模量和抗拉强度认为服从Weibull分布,其密度函数见式(3),泊松比取为定值,各细观相材料参数取值见表1.轴心受拉试件的细观相单元见图1.式中,x为满足该分布参数数值;μ为特征值;m为均质度.为说明本文数值模型细观相单元材料力学参数赋值的特点,将模型的细观相材料随机赋值情况与不考虑细观相材料参数随机分布,即按均匀分布赋值的情况加以对比,如图2所示.其中,图2(a)各相材料参数为均匀分布,每种细观相单元材料力学参数相同,显示为同一种颜色;图2(b)为本文赋值情况,界面、砂浆单元的颜色不同,说明材料参数取值按单元随机分布.同一骨料颗粒的单元颜色相同,不同骨料颜色不同,说明骨料的材料参数取值按颗粒随机分布.2.2相关系数模拟结果模型采用等位移加载,加载步长0.001mm,下降段出现转折点后加载步长加大至原来的3倍,共计算了22个荷载步.根据数值模拟结果,将模型中部沿长轴方向的应变切片图(图3)和模型表面应变分布图(图4)列出,以便从多角度分析模型单元损伤程度和裂缝的开展过程.加载之初,试件处于较均匀的拉应力场中,沿试件长度方向各截面的应力、应变较为接近.随着荷载的增加,由于骨料分布的随机性和细观相材料的不均匀性,试件内部薄弱部位开始出现应力集中,应变相应增加,见图3(a),此时试件表面基本没有出现应变集中现象,见图4(a).其原因在于骨料存在于试件内部,且具有随机分布的性质,骨料外部界面层材料力学性质较弱,容易引发应变集中.当加载到第8荷载步时,从图3(b)和图4(b)中可以看出试件内部和表面都出现了应变较大的区域,这些区域主要集中在骨料周围的界面和砂浆单元.随着应变的增长,这些区域内的单元逐渐损伤,表明试件内部及表面有新的微裂缝生成,试件表面微裂缝的产生略滞后于内部微裂缝的产生.单元损伤后传递荷载的能力随之降低,由于损伤单元所处的位置不同,单元自身的力学性质也有差异,因此损伤发展的趋势不同,导致微裂缝的发展也出现了分化.一些微裂缝附近的应力集中现象会由于其它微裂缝的发展得以释放,随之应变恢复,微裂缝发展缓慢甚至闭合,而另外一些微裂缝则继续传播、融合、扩展,逐渐发展成为主裂缝.图3(c—e)和图4(c—e)分别从不同角度展现了试件的微裂缝萌生、发展过程.随着裂缝向试件表面不断延伸,裂缝宽度不断增加,试件有效承载面积减少,承载力迅速下降.最终,裂缝汇聚成一道贯通试件表面的宏观主裂缝,试件被拉断,如图3(f)和图4(f)所示,裂缝大体位于试件的中段,但并不是在试件的正中间,其走向曲折,大致与拉力方向垂直.以上模拟过程再现了混凝土试件破坏时裂缝发展的3个阶段:弥散化阶段、集中化阶段、局部化阶段,展现了混凝土在细观层次应力分布的不均匀性,也证实了混凝土的断裂并不是单一裂缝稳定扩展的结果,而是由大量微裂缝动态演化而成.数值模拟得到的最终破坏单元分布如图5所示,大量破坏单元形成一道贯穿截面的主裂缝,另外还有较少量的破坏单元形成了一个未贯穿的分支裂缝,进一步的数值分析表明该段分支裂缝的形成与界面抗拉强度的取值有关,当界面抗拉强度增大时,混凝土受拉破坏的最终模式会由单一的贯穿裂缝转变成两道或多道非贯通的裂缝.破坏单元主要是界面和砂浆单元,表明微裂缝是在界面或在砂浆内部传播与发展的,造成了试件断面的凹凸不平,因此骨料的存在既是造成薄弱界面导致混凝土裂缝产生的根源之一,又对裂缝的发展起到一定的阻碍作用,使得裂缝不断绕过骨料曲折扩展.数值模拟得到的模型受拉应力—应变曲线如图6所示,该曲线分为上升段和下降段.在上升段,当荷载较小时,应力—应变曲线接近于直线,混凝土损伤较小,微裂缝稳定发展,可视为线弹性阶段.当加载至第8荷载步,应力σ达到2.58MPa(为峰值应力的84.9%)时,曲线明显偏离直线呈现出非线性性质,对照图3(b)和图4(b)可知,此时损伤单元数量增加,试件内的微裂缝发生了非稳定扩展.第10荷载步时,试件达到峰值应力ft,其值为3.04MPa,对应的应变为1.2×10-4.峰值应力后,曲线进入软化阶段,下降速度很快,此时裂缝扩展速度加快,破坏单元剧增,荷载有效传递路径大为减少.第16荷载步后,试件的承载能力下降较缓慢,曲线出现反弯点,试件承载力趋于一个较低的水平,其值为0.3MPa左右,大致为峰值强度的1/10,为试件残余强度.在第22荷载步时裂缝已经贯通整个截面,形成主裂缝,试件破坏.选取文献中试件2HB-3测得的受拉应力—应变全曲线(见图6)与本文模拟结果进行对比.可以看出,二条曲线的上升段吻合很好,模拟曲线的峰值应力略高于试验曲线,模拟曲线的下降段较为陡峭,而试验曲线则相对平缓,二者的残余应力较为接近.分析下降段存在差异的原因主要在于,数值模型的骨料级配和分布与实际构件不尽相同,裂缝产生后骨料之间的咬合和摩擦作用不易精确模拟.但是,从整体上看本文的模拟曲线与试验曲线较为接近,曲线上升段与下降段的整体趋势是一致的.3受拉试件破坏机理本文利用混凝土细观数值模型对棱柱体轴心受拉试件进行了模拟,追踪了轴心受拉状态下微裂缝产生、汇聚、发展直至宏观破坏的动态演化过程,再现了各级荷载下混凝土损伤和破坏情况,得到的轴心受拉试件应力—应变曲线与文献试验吻合较好,有关结论如下.(1)对于混凝土轴心受拉试件,虽然受到均匀拉应力的作用,但是由于骨料随机分布和细观相材料性质的不均匀,试件应力和应变分布存在局部化的特点;(2)受骨料随机分布和界面单元性质的影响,微裂缝首先产生于试件内部,表面裂缝的产生略为滞后.在裂缝演化过程中,微裂缝主要在界面和砂浆中传播与发展,一些微裂缝由于局部应力释放而发展缓