基于相场模型的混凝土材料损伤演变模拟方法技术

本发明专利技术涉及一种基于相场模型的混凝土材料损伤演变模拟方法，首先建立混凝土材料细观模型，在数值模型中投放圆形骨料并扩展一定厚度的ITZ层，完成混凝土细观模型中各相组分有限元单元的属性赋予；依据用户自定义单元UEL中关键字的定义要求，对模型输出的inp文件进行修改，将表征损伤的相场自由度赋予有限元节点上，完成混凝土细观相场模型的转化；并激活有限元平台中的拟牛顿迭代算法；采用相场变量表征损伤实现拟牛顿迭代算法中的变量传递；根据按位移加载的拟牛顿迭代法对混凝土细观相场模型进行计算求解，对材料的损伤演化过程进行仿真分析，从而探究材料在细观尺度下的损伤演化规律。演化规律。演化规律。

【技术实现步骤摘要】
基于相场模型的混凝土材料损伤演变模拟方法


[0001]本专利技术涉及一种基于相场模型的混凝土材料损伤演变模拟方法，属于混凝土材料数值模拟领域。

技术介绍

[0002]作为现代建筑主要的原材料之一，混凝土凭借其良好的材料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、相互融合并发展成为宏观裂缝，最终导致混凝土构件失效破坏。混凝土结构宏观上的破坏通常是由结构内部局部失效形成裂缝以及裂缝发展引起的，因此，研究混凝土结构内部裂缝发生和扩展的全过程，对探究材料失效破坏规律、提高结构的强度具有重要意义。
[0003]目前利用相场损伤模型模拟混凝土材料的损伤演化过程时，通常将混凝土视为宏观均质材料，忽略了材料内部组分的复合性、各组分之间的相互作用以及其和宏观结构之间的关系，无法体现混凝土细观结构与宏观力学性能之间的联系。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种基于相场模型的混凝土材料损伤演变模拟方法，利用随机骨料生成与投放程序建立多相复合的混凝土细观模型，探究材料在细观尺度下的损伤演化规律。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006]基于相场模型的混凝土材料损伤演变模拟方法，包括以下步骤：
[0007]步骤S1：生成混凝土材料多相细观模型，具体包括根据混凝土试件尺寸生成有限元单元、生成单元信息矩阵以及设置材料单元及相场材料属性；
[0008]步骤S2：基于统一相场损伤理论建立混凝土多相细观相场模型，即建立有限元方程，具体包括计算单元能量参数、计算单元刚度矩阵以及组装总刚度；
[0009]步骤S3：采用相场变量对混凝土材料力学性能的劣化进行追踪和描述；
[0010]步骤S4：根据按位移加载的拟牛顿迭代法对相场模型进行计算求解，具体包括边界条件施加、位移求解、更新场变量以及计算削减单元刚度；
[0011]作为本专利技术的进一步优选，步骤S1中生成混凝土材料多相细观模型的具体步骤为：
[0012]步骤S11：确定混凝土试件的尺寸，在模型边界上生成固定单元节点，在模型区域内随机生成单元节点，同时在模型区域内按照从下至上、由左往右的顺序遍历所有随机生成的单元节点，并存储于节点信息矩阵内；
[0013]步骤S12：在模型区域内，遍历所有随机生成的单元节点，并按照由下至上，由左至
右的顺序依次相连，将所生成的单元节点编号存放于单元信息矩阵，完成混凝土材料多相细观模型的几何搭建；
[0014]步骤S13：确定各级配骨料的粒径范围及个数，在模型区域内生成各骨料级配的随机圆形骨料，沿着圆形骨料边界向外等厚度拓展ITZ层，将所生成的圆形骨料相关信息存入骨料信息矩阵中；
[0015]步骤S14：根据模型有限元单元的位置对单元材料进行识别，若单元位于骨料区域内，则将该单元判定为骨料单元；若单元位于骨料边界与自身ITZ边界之间，则将该单元判定为ITZ单元；若单元位于ITZ所确定的区域外，则将该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中建立有限元方程的具体步骤为：
[0017]步骤S21：混凝土多相细观相场模型中在单元节点上同时赋予位移自由度与相场自由度，采用ABAQUS中位移
‑
温度耦合分析求解器，将平台自提供的温度自由度替换相场自由度，即在单元节点上同时赋予位移自由度与温度自由度；
[0018]步骤S22：通过单元属性识别单元材料的各相组分，将骨料视为弹性，即不发生破坏，在砂浆和ITZ界面内设置为CPS4单元进行迭代计算；
[0019]步骤S23：采用ABAQUS中位移
‑
温度耦合分析求解器，自定义单元方法完成有限元单元的迭代过程时，在混凝土多相细观相场模型输出inp文件中建立一层虚拟网格；
[0020]作为本专利技术的进一步优选，采用相场变量对混凝土材料力学性能的劣化进行追踪和描述的具体步骤为：
[0021]步骤S31：在力平衡和材料能量关系构成的控制方程式中引入相场变量d表示有限元单元的损伤程度；
[0022]步骤S32：基于能量等效原理，得到相场单元的损伤演化法则；
[0023]作为本专利技术的进一步优选，步骤S31中，引入相场变量d的控制方程为：
[0024][0025]式中，Y为能量释放率，G
f
为材料的断裂能，γ为裂缝密度泛函，表示模型中裂缝弥散的局部带，A
Γ
表征尖锐裂缝表面，且A
Γ
＝∫
Γ
dA；
[0026]当d＝0，表示相场单元无损伤；
[0027]当单元对应的裂缝表面能耗散大于应变能释放时，损伤开始演化；
[0028]当d＝1时表示单元失效破坏，模型中萌发裂纹；
[0029]作为本专利技术的进一步优选，步骤S32中，基于能量等效原理，得到相场单元的损伤演化法则：
[0030][0031]g(Y,d)＝Y
‑
G
f
δ
d
γ≤0
[0032]式中，δ
d
γ为裂缝面积密度函数γ的变分导数，G
f
为材料断裂能，d为相场变量，Y为能量释放率；
[0033]结合裂缝单元的损伤演化法则和边界条件，通过相场单元刚度的不断削减体现混凝土试件整体力学性能的劣化；
[0034]作为本专利技术的进一步优选，步骤S4中根据按位移加载的拟牛顿迭代法对相场模型
进行计算求解的具体步骤为：
[0035]步骤S41：对混凝土多相细观相场模型施加匹配边界条件，在加载点处施加位移荷载，并将施加的位移荷载分为k个荷载步；
[0036]步骤S42：在第k个荷载步内，给定初始位移增量u
k
和初始相场增量d
k
，结合材料属性可计算出各相场单元的应变ε
k
和初始有效能量释放率
[0037]ε
k
＝B
·
d
k
[0038][0039]式中，B为单元应变矩阵，f
t
为材料的破坏强度，E0为材料的弹性模量；
[0040]将位移增量存储于位移增量列阵内，单元应变存储于单元应变矩阵内，相场增量存储于单元相场增量列阵内，能量释放率增量存储于能量释放率矩阵内；
[0041]步骤S43：在第k个荷载步内，将各相场单元的有效能量释放率与初始阈值进行比对，若单元的有效能量释放率大于其初始阈值则单元发生损伤，相场源Q(ε,d)发生更新，利用能量关系更新位移增量u
k
和损伤变量d本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于相场模型的混凝土材料损伤演变模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：生成混凝土材料多相细观模型，具体包括根据混凝土试件尺寸生成有限元单元、生成单元信息矩阵以及设置材料单元及相场材料属性；步骤S2：基于统一相场损伤理论建立混凝土多相细观相场模型，即建立有限元方程，具体包括计算单元能量参数、计算单元刚度矩阵以及组装总刚度；步骤S3：采用相场变量对混凝土材料力学性能的劣化进行追踪和描述；步骤S4：根据按位移加载的拟牛顿迭代法对相场模型进行计算求解，具体包括边界条件施加、位移求解、更新场变量以及计算削减单元刚度。2.根据权利要求1所述的基于相场模型的混凝土材料损伤演变模拟方法，其特征在于：步骤S1中生成混凝土材料多相细观模型的具体步骤为：步骤S11：确定混凝土试件的尺寸，在模型边界上生成固定单元节点，在模型区域内随机生成单元节点，同时在模型区域内按照从下至上、由左往右的顺序遍历所有随机生成的单元节点，并存储于节点信息矩阵内；步骤S12：在模型区域内，遍历所有随机生成的单元节点，并按照由下至上，由左至右的顺序依次相连，将所生成的单元节点编号存放于单元信息矩阵，完成混凝土材料多相细观模型的几何搭建；步骤S13：确定各级配骨料的粒径范围及个数，在模型区域内生成各骨料级配的随机圆形骨料，沿着圆形骨料边界向外等厚度拓展ITZ层，将所生成的圆形骨料相关信息存入骨料信息矩阵中；步骤S14：根据模型有限元单元的位置对单元材料进行识别，若单元位于骨料区域内，则将该单元判定为骨料单元；若单元位于骨料边界与自身ITZ边界之间，则将该单元判定为ITZ单元；若单元位于ITZ所确定的区域外，则将该单元判定为砂浆单元。3.根据权利要求2所述的基于相场模型的混凝土材料损伤演变模拟方法，其特征在于：步骤S2中建立有限元方程的具体步骤为：步骤S21：混凝土多相细观相场模型中在单元节点上同时赋予位移自由度与相场自由度，采用ABAQUS中位移
‑
温度耦合分析求解器，将平台自提供的温度自由度替换相场自由度，即在单元节点上同时赋予位移自由度与温度自由度；步骤S22：通过单元属性识别单元材料的各相组分，将骨料视为弹性，即不发生破坏，在砂浆和ITZ界面内设置为CPS4单元进行迭代计算；步骤S23：采用ABAQUS中位移
‑
温度耦合分析求解器，自定义单元方法完成有限元单元的迭代过程时，在混凝土多相细观相场模型输出inp文件中建立一层虚拟网格。4.根据权利要求3所述的基于相场模型的混凝土材料损伤演变模拟方法，其特征在于：采用相场变量对混凝土材料力学性能的劣化进行追踪和描述的具体步骤为：步骤S31：在力平衡和材料能量关系构成的控制方程式中引入相场变量d表示有限元单元的损伤程度；步骤S32：基于能量等效原理，得到相场单元的损伤演化法则。5.根据权利要求4所述的基于相场模型的混凝土材料损伤演变模拟方法，其特征在于：步骤S31中，引入相场变量d的控制方程为：
式中，Y为能量释放率，G
f
为材料的断裂能，γ为裂缝密度泛函，表示模型中裂缝弥散的局部带，A
Γ
表征尖锐裂缝表面，且A
Γ
＝∫
Γ
dA；当d＝0，表示相场单元无损伤；当单元对应的裂缝表面能耗散大于应变能释放时，损伤开始演化；当d＝1时表示单元失效破坏，模型中萌发裂纹。6.根据权利要求5所述的基于相场模型的混凝土材料损伤演变模拟方法，其特征在于：步骤S32中，基于能量等效原理，得到相场单元的损伤演化法则：g(Y,d)＝Y
‑
G
f
δ
d
γ≤0式中，δ
d
γ为裂缝面积密度函数γ的变分导数，G
f
为材料断裂能，d为相场变量，...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭小明，徐文惠，王吉昌，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：