一种基于格构模型的混凝土材料损伤演变过程的模拟方法技术

本发明专利技术涉及一种基于格构模型的混凝土材料损伤演变过程的模拟方法，首先建立混凝土材料细观格构模型，在数值模型中投放骨料并扩展ITZ层，完成格构模型各相单元材料特性的赋予；基于Timoshenko梁理论完成格构模型有限元方程的建立；采用Mazars损伤本构模型模拟混凝土材料力学性能的劣化；按位移加载的牛顿迭代法对格构模型进行计算求解，对混凝土材料的损伤演化过程进行仿真分析，在保证模拟有效性的同时能够大大提升计算效率。时能够大大提升计算效率。时能够大大提升计算效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于格构模型的混凝土材料损伤演变过程的模拟方法


[0001]本专利技术涉及一种基于格构模型的混凝土材料损伤演变过程的模拟方法，属于混凝土材料数值模拟领域。

技术介绍

[0002]作为土木工程领域中最常见的建筑材料，混凝土凭借其优良特性被广泛应用于民用建筑、桥梁、公路、隧道、人防工程以及水利工程等各种基础和民用工程建设当中。混凝土材料在浇筑过程中，由于水化反应放热导致温度升高，骨料的不规则性使混凝土材料在冷却成型之后内部就含有空隙、毛细孔等缺陷。在外部条件作用下，缺陷附近区域将出现应力集中，从而导致该区域损伤开始演化，微裂缝逐渐形成。在外荷载持续作用下，这些微裂纹将逐渐扩展、贯通直至最后形成宏观裂缝，最终导致混凝土构件失效破坏。因此，混凝土材料的失效破坏始于材料内部的损伤演化，研究该损伤演化过程有利于了解混凝土材料的失效破坏机理，对提高混凝土结构的强度具有重要意义。
[0003]目前针对混凝土材料损伤演化过程的数值模拟，多采用实体单元对混凝土试件进行数值建模，所建立的数值模型具有较多的自由度，因此具有较大的计算量，往往会导致计算效率偏低。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种基于格构模型的混凝土材料损伤演变过程的模拟方法，模拟整个混凝土材料的损伤演化过程，提高了计算效率。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006]一种基于格构模型的混凝土材料损伤演变过程的模拟方法，具体包括以下步骤：
[0007]步骤S1：构建混凝土材料细观格构模型；
[0008]步骤S2：基于Timoshenko梁理论建立混凝土材料细观格构模型的有限元方程；
[0009]步骤S3：基于混凝土材料的特性，采用Mazars损伤本构模型模拟混凝土材料力学性能的劣化；
[0010]步骤S4：按位移加载的牛顿迭代法对混凝土材料细观格构模型进行计算求解，将计算结果经过处理对混凝土材料的损伤演化过程进行仿真分析；
[0011]作为本专利技术的进一步优选，步骤S1具体包括：
[0012]步骤S11：确定混凝土材料的尺寸，在待构建的混凝土材料细观格构模型边界上生成固定单元节点，在混凝土材料细观格构模型区域内随机生成单元节点，遍历所有单元节点，并按照由下至上、由左至右的顺序，将单元节点全部存储于节点信息矩阵内；
[0013]步骤S12：继续遍历所有单元节点，并按照由下至上、由左至右的顺序将所有单元节点依次相连，形成连接后的单元节点编号并存放在单元信息矩阵内，完成格构模型的几何搭建；
[0014]步骤S13：确定各级配骨料的粒径范围及个数，在混凝土材料细观格构模型区域内
生成各骨料级配的随机骨料，沿着骨料边界向外等厚度拓展界面过渡层，将生成的骨料信息存入骨料信息矩阵中；
[0015]步骤S14：结合步骤S12中搭建的格构模型，将单元中点的位置对步骤S13中的骨料进行识别，对于不同相材料的单元赋予相应的材料参数，即若单元中点的位置位于骨料区域内，则将此单元判定为骨料单元，若单元中点的位置位于骨料边界与界面过渡层之间，则将此单元判定为界面过渡层，若单元中点的位置位于界面过渡层区域外，则将此单元判定为砂浆单元；
[0016]作为本专利技术的进一步优选，步骤S2具体包括：
[0017]步骤S21：构建的混凝土材料细观格构模型选用Timoshenko梁单元，并根据有限元理论推导出剪切刚度矩阵和弯曲刚度矩阵；
[0018]步骤S22：剪切刚度矩阵采用缩减积分代替精确积分，将剪切刚度矩阵和弯曲刚度矩阵叠加，获取单元刚度矩阵；
[0019]步骤S23：通过坐标转换矩阵将单元坐标系下的单元刚度矩阵转化为整体坐标系下的单元刚度矩阵，再将各个整体坐标系下的单元刚度矩阵中的元素按照编码规则叠加至总体刚度矩阵中，得到混凝土材料细观格构模型的有限元方程，其中总体刚度矩阵为变量，其与混凝土材料细观格构模型中单元的损伤程度有关联；
[0020]作为本专利技术的进一步优选，步骤S23中得到的混凝土材料细观格构模型的有限元方程为
[0021]K
·
q＝P
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0022]公式(1)中，K为总体刚度矩阵，q为位移向量，P为荷载向量；
[0023]作为本专利技术的进一步优选，步骤S3具体包括：
[0024]步骤S31：步骤S2中得到的混凝土材料细观格构模型有限元方程中，总体刚度矩阵与混凝土材料细观格构模型中单元的损伤程度有关联，采用Mazars损伤本构模型模拟混凝土材料力学性能的劣化，通过损伤变量D来表示混凝土材料细观格构模型中单元的损伤程度；
[0025]步骤S32：基于Lemaitre应变等效原理，得到混凝土材料细观格构模型中单元的刚度削减方程，通过刚度的不断削减体现混凝土材料整体力学性能的劣化；
[0026]作为本专利技术的进一步优选，步骤S31中，当D＝0，表示混凝土材料细观格构模型中单元无损伤；
[0027]当单元等效应变大于应变阈值时，混凝土材料损伤开始演化；
[0028]当D＝1，表示混凝土材料细观格构模型中单元失效破坏；
[0029]作为本专利技术的进一步优选，损伤变量D的表达公式为
[0030][0031]公式(2)中，ε
p
为应变阈值，ε为单元等效应变，A
t
和B
t
为混凝土材料常数，对于Timoshenko梁单元，其单元等效应变取为单元的最大主拉应变；
[0032]混凝土材料细观格构模型中单元的刚度削减方程为
[0033][0034]公式(3)中，E为单元无损状态下的弹性模量，为单元受损之后的弹性模量；
[0035]作为本专利技术的进一步优选，步骤S4具体包括：
[0036]步骤S41：对混凝土材料细观格构模型施加边界条件，在加载点处施加位移荷载并将其分为k个荷载步；
[0037]步骤S42：在第k个荷载步内，给定初始位移增量d
k
，可计算出各格构单元应变ε
k
[0038]ε
k
＝B
·
d
k
ꢀꢀꢀ
(4)
[0039]公式(4)中，B为单元应变矩阵；将位移增量与单元应变分别存储于位移增量列阵与单元应变矩阵内；
[0040]步骤S43：在第k个荷载步内，将各格构的单元等效应变与应变阈值进行比对，若单元等效应变大于应变阈值ε
p
，则代入公式(2)，得到单元发生损伤并更新损伤变量D
k
[0041][0042]此时在第k个荷载步内，单元应力为
[0043]σ
k
＝(1
‑
D
k
)
·
D
·
ε
k
ꢀꢀꢀ
(5)
[0044]公式(5)中，D为单元无损状态下的单元弹性矩阵本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于格构模型的混凝土材料损伤演变过程的模拟方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤S1：构建混凝土材料细观格构模型；步骤S2：基于Timoshenko梁理论建立混凝土材料细观格构模型的有限元方程；步骤S3：基于混凝土材料的特性，采用Mazars损伤本构模型模拟混凝土材料力学性能的劣化；步骤S4：按位移加载的牛顿迭代法对混凝土材料细观格构模型进行计算求解，将计算结果经过处理对混凝土材料的损伤演化过程进行仿真分析。2.根据权利要求1所述的基于格构模型的混凝土材料损伤演变过程的模拟方法，其特征在于：步骤S1具体包括：步骤S11：确定混凝土材料的尺寸，在待构建的混凝土材料细观格构模型边界上生成固定单元节点，在混凝土材料细观格构模型区域内随机生成单元节点，遍历所有单元节点，并按照由下至上、由左至右的顺序，将单元节点全部存储于节点信息矩阵内；步骤S12：继续遍历所有单元节点，并按照由下至上、由左至右的顺序将所有单元节点依次相连，形成连接后的单元节点编号并存放在单元信息矩阵内，完成格构模型的几何搭建；步骤S13：确定各级配骨料的粒径范围及个数，在混凝土材料细观格构模型区域内生成各骨料级配的随机骨料，沿着骨料边界向外等厚度拓展界面过渡层，将生成的骨料信息存入骨料信息矩阵中；步骤S14：结合步骤S12中搭建的格构模型，将单元中点的位置对步骤S13中的骨料进行识别，对于不同相材料的单元赋予相应的材料参数，即若单元中点的位置位于骨料区域内，则将此单元判定为骨料单元，若单元中点的位置位于骨料边界与界面过渡层之间，则将此单元判定为界面过渡层，若单元中点的位置位于界面过渡层区域外，则将此单元判定为砂浆单元。3.根据权利要求2所述的基于格构模型的混凝土材料损伤演变过程的模拟方法，其特征在于：步骤S2具体包括：步骤S21：构建的混凝土材料细观格构模型选用Timoshenko梁单元，并根据有限元理论推导出剪切刚度矩阵和弯曲刚度矩阵；步骤S22：剪切刚度矩阵采用缩减积分代替精确积分，将剪切刚度矩阵和弯曲刚度矩阵叠加，获取单元刚度矩阵；步骤S23：通过坐标转换矩阵将单元坐标系下的单元刚度矩阵转化为整体坐标系下的单元刚度矩阵，再将各个整体坐标系下的单元刚度矩阵中的元素按照编码规则叠加至总体刚度矩阵中，得到混凝土材料细观格构模型的有限元方程，其中总体刚度矩阵为变量，其与混凝土材料细观格构模型中单元的损伤程度有关联。4.根据权利要求3所述的基于格构模型的混凝土材料损伤演变过程的模拟方法，其特征在于：步骤S23中得到的混凝土材料细观格构模型的有限元方程为K
·
q＝P
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)公式(1)中，K为总体刚度矩阵，q为位移向量，P为荷载向量。5.根据权利要求3所述的基于格构模型的混凝土材料损伤演变过程的模拟方法，其特
征在于：步骤S3具体包括：步骤S31：步骤S2中得到的混凝土材料细观格构模型有限元方程中，总体刚度矩阵与混凝土材料细观格构模型中单元的损伤程度有关联，采用Mazars损伤本构模型模拟混凝土材料力学性能的劣化，通过损伤变量D来表示混凝土材料细观格构模型中单元的损伤程度；步骤S32：基于Lemaitre应变等效原理，得到混凝土材料细观格构模型中单元的刚度削减方程，通过刚度的不断削减体现混凝土材料整体力学性能的劣化。6.根据权利要求4所述的基于格构模型的混凝土材料损伤演变过程的模拟方法，其特征在于：步骤S31中，当D＝0，表示混凝土材料细观格构模型中单元无损伤；当单元等效应变大于应变阈值时，混凝土材料损伤开始演化；当D＝1，表示混凝土材料细观格构模型中单元失效破坏。7.根据权利要求6所述的基于格构模型的混凝土材料损伤演变过程的模拟方法，其特征在于：损伤变量D...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭小明，黄日星，胡道前，吴佰建，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：