CN117454698B - 一种混凝土中纤维拉拔性能的数值模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及数值模拟技术领域,具体涉及一种混凝土中纤维拉拔性能的数值模拟方法,包括以下步骤:步骤1,对微观结构分相;步骤2,建立格构断裂模型;步骤3,进行格构断裂模型计算分析,获得纤维‑混凝土接触面的应力‑应变曲线I;步骤4,采用“生死单元”法重新生成单元;步骤5,继续模型计算分析,获得纤维‑混凝土接触面的应力‑应变曲线II;对应力‑应变曲线I和应力‑应变曲线II进行叠加,作为最终模拟计算结果;步骤6,将模型计算结果与试验结果进行对比分析,对单元材料属性进行调整;步骤7,将模型应用于不同微观结构的试件以验证模拟方法的准确性。本发明解决了现有方法未考虑混凝土微观结构对纤维拉拔受力过程的影响等问题。
Description
技术领域
本发明涉及数值模拟分析方法技术领域,具体涉及一种混凝土中纤维拉拔性能的数值模拟方法。
背景技术
纤维增强混凝土是一种新型建筑材料,其通过添加纤维来提升混凝土的抗拉强度、韧性和耐久性。在微观尺度,纤维与混凝土界面之间的黏结、机械咬合、销栓和摩擦等作用能有效地抑制裂纹的扩展,从而增强了混凝土的抗裂性。因此,探清纤维与混凝土界面间力学行为对于研究纤维混凝土抗裂性能具有重要意义。
目前,研究纤维混凝土界面受力过程主要有试验方法和有限元模拟方法。试验方法主要是通过开展单根纤维拉拔试验,获取纤维拉拔过程的位移-荷载曲线,从而研究纤维混凝土界面力学行为。然而,单根纤维拉拔试验只能获取整体的力学行为,无法反映纤维与混凝土界面局部受力情况。
另一方面,尽管有限元模拟能得到纤维混凝土力学性能,但现有研究主要集中在细观和宏观尺度上。这些模型通常采用均质单元来表示混凝土基体,忽略了微观结构对界面受力的影响,从而无法真实地模拟纤维拉拔受力过程。此外,由于模型采用单一固定的接触和弹簧单元,无法模拟纤维受力由脱黏到摩擦滑移的动态变化过程。
因此,有必要提供一种能够充分考虑混凝土微观结构影响,同时能动态模拟纤维拉拔过程中脱黏和摩擦滑移过程的有限元模拟方法。
发明内容
为了解决现有的模拟方法中存在的问题:未能真实考虑混凝土微观结构对纤维拉拔受力过程的影响;并且,采用单一固定的接触和弹簧单元无法充分模拟脱黏至摩擦滑移的动态变化过程。本发明的目的在于提供一种混凝土中纤维拉拔性能的数值模拟方法。本发明旨在通过考虑微观结构对纤维拉拔受力过程的影响,结合“生死单元”法动态变化模拟混凝土单根纤维拉拔过程,获取全过程位移-荷载曲线、应力-应变曲线和裂缝开展状况等结果。
为实现上述目的,本发明的技术方案如下。
本发明提供一种混凝土中纤维拉拔性能的数值模拟方法,包括以下步骤:
步骤1,对试件I沿纤维中轴线切割和磨抛处理,通过微观分析获得微观结构图像以及各组成成分的灰度值,并按照全局阈值法对微观结构分相;
对试件I进行纳米压痕分析,以获取微观结构各组成成分的材料属性;
步骤2,建立格构断裂模型,根据步骤1的微观结构分相结果对格构断裂模型进行单元划分,并根据步骤1的纳米压痕分析结果赋予划分的各单元相应的材料属性;
步骤3,对格构断裂模型进行计算分析,记录断裂失效的单元,获得位移-载荷曲线,并转化为纤维界面的应力-应变曲线I,计算纤维残余变形;
步骤4,采用“生死单元”法,将失效的单元删除并重新生成单元,赋予新生成的单元相应的材料属性;
步骤5,按照步骤3的方法,对步骤4重新生成单元后的格构断裂模型进行计算分析,获得纤维界面的应力-应变曲线II;
对应力-应变曲线I和应力-应变曲线II进行叠加,并将叠加后的交点作为汇合点,删除应力-应变曲线I位于汇合点之后的数据以及应力-应变曲线II位于汇合点之前的数据,作为试件I的模型计算结果;
步骤6,将步骤5的试件I的模型计算结果与试件I的试验结果进行对比分析,调整各单元的材料属性,获得各单元调整后的材料属性;
步骤7,对试件II按照步骤1~5的方法进行模拟计算,并在模拟计算过程中输入步骤6各单元调整后的材料属性,获得试件II的模型计算结果。
在一个优选的实施例中,所述材料属性为压痕模量和压痕硬度;
压痕模量作为微观结构的弹性模量;
按照如下计算公式,将压痕硬度转换为抗拉强度:
σb=α·H;
其中,α为常数,σb为抗拉强度;H为压痕硬度。根据试验结果α通常为1/30。
在一个优选的实施例中,步骤1中,所述微观分析为扫描电镜分析,所述微观结构图像为背散射电子图像。
在一个优选的实施例中,对试件I进行纳米压痕分析的具体操作是:
对试件I设计纳米压痕点的位置、数量和深度,然后对试件I进行纳米压痕试验,以获得微观结构各组成成分的材料属性。
在一个优选的实施例中,所述格构断裂模型是利用有限元理论对试件I的微观结构图像建立的几何网格模型,通过迭代计算断裂失效单元,移除失效单元,模拟模型断裂过程;
所述步骤2的具体操作是:
建立基于节点的节点集;所述节点包括纤维节点和混凝土基体节点;
对节点集进行狄洛尼三角剖分从而生成网格,采用梁单元对节点进行连接,生成格构断裂模型;
所述格构断裂模型的每个几何网格中均含有一个节点;
根据步骤1的微观结构分相结果对各节点进行分类;
根据各节点的分类结果,对所述格构断裂模型进行单元划分;
根据步骤1的纳米压痕分析结果赋予划分的各单元相应的材料属性。
在一个优选的实施例中,步骤4中,重新生成单元的过程为:
在删除失效的单元后,将所有的纤维节点向纤维加载点位置平移,平移距离为残余变形值,对平移后的纤维节点进行局部狄洛尼三角剖分,以生成摩擦单元。
在一个优选的实施例中,所述残余变形值是根据纤维拉拔试验获得的极限弹性变形与残余变形的经验关系确定;
所述局部狄洛尼三角剖分是在纤维节点与混凝土基体节点之间进行。
在一个优选的实施例中,应力-应变曲线I是模拟纤维拉拔过程脱黏段;应力-应变曲线II是模拟纤维拉拔过程摩擦滑移段;叠加后的汇合点是模拟脱黏段的应力-应变曲线的下降段与模拟摩擦滑移段的应力-应变曲线的上升段的交点。
在一个优选的实施例中,步骤7还包括:
将步骤7获得的试件II的模型计算结果与试件II的试验结果进行比对,以验证本方法的准确度。
在一个优选的实施例中,所述试件I与所述试件II均是由以下方法制备而成:
将水泥浆料倒入模具中,并埋入纤维,脱模后切割以形成混凝土单根纤维拉拔试验试件。
其中,所述试件I与所述试件II的微观结构不同。
在一个优选的实施例中,水泥浆料是由水泥、硅粉、减水剂、增稠剂按照质量比为1:0.3:0.0005:0.0005与水混合而成。
在一个优选的实施例中,所述增稠剂为甲基纤维素;所述减水剂为萘系减水剂、蒽系减水剂、甲基萘系减水剂、氨基磺酸盐系减水剂中的任意一种。
在一个优选的实施例中,所述单元是微观结构各组成成分与纤维之间的连接单元;所述单元包括黏结单元和摩擦单元;
所述黏结单元是用于模拟混凝土基体与纤维之间的黏结作用的单元;
所述摩擦单元是用于模拟混凝土基体与纤维之间的摩擦滑移作用的单元。
本发明的有益效果:
1、本发明的方法充分考虑真实混凝土微观结构对纤维拉拔过程的影响,同时采用“生死单元”法动态模拟纤维脱黏至摩擦滑移全过程,可充分考虑纤维受力机理,并获取纤维拉拔全过程的位移-荷载曲线、应力-应变曲线和裂缝开展状况等结果。
2、本发明的方法能够替代混凝土单根纤维拉拔试验,从而节省大量的试验时间和成本。
3、本发明的方法具有较强的通用性,该方法能够适用于模拟不同配合比混凝土微观结构的纤维拉拔全过程。
4、本发明的方法能够有效模拟微观尺度纤维混凝土界面力学性能,为纤维混凝土多尺度力学分析提供重要基础。
附图说明
图1是混凝土单根纤维拉拔试验试件纤维周围的微观结构背散射电子图。
图2是混凝土单根纤维拉拔试验试件背散射电子图像和格构模型示意图。
图3是建立格构断裂模型(a)、并对建立的格构断裂模型进行计算分析(b)、对重新生成单元后的格构断裂模型继续进行模型计算分析(c)的示意图。
图4是模型计算结果与试验结果的对比情况。
图5是根据本发明的一个实施例中模拟混凝土中纤维拉拔过程的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
目前,在已有纤维混凝土的单根纤维拉拔试验模拟中,通常只在细观和宏观尺度计算分析纤维混凝土力学性能,未能真实考虑微观结构对拉拔受力过程的影响;并且,采用单一固定的接触和弹簧单元无法充分模拟脱黏至摩擦滑移的动态变化过程。为解决上述问题,本发明旨在通过考虑微观结构对纤维拉拔受力过程的影响,结合“生死单元”法动态变化模拟混凝土单根纤维拉拔过程,获取全过程位移-荷载曲线、应力-应变曲线和裂缝开展状况等结果。
基于此,本发明的第一个目的在于提出一种充分考虑微观结构对纤维拉拔受力过程影响的数值模拟方法。
本发明的第二个目的在于应用“生死单元”法,使模型实现动态模拟纤维脱黏和摩擦滑移全过程。
图5是根据本发明的一个实施例中模拟混凝土中纤维拉拔过程的流程图。如图5所示,本发明提供一种混凝土中纤维拉拔性能的数值模拟方法,包括以下步骤:
步骤1,对试件I沿纤维中轴线切割和磨抛处理,通过微观分析获得微观结构图像以及各组成成分的灰度值,并按照全局阈值法对微观结构分相;
对试件I进行纳米压痕分析,以获取微观结构各组成成分的材料属性;
步骤2,建立格构断裂模型,根据步骤1的微观结构分相结果对格构断裂模型进行单元划分,并根据步骤1的纳米压痕分析结果赋予划分的各单元相应的材料属性;
步骤3,对格构断裂模型进行计算分析,记录断裂失效的单元,获得位移-载荷曲线,并转化为纤维界面的应力-应变曲线I,计算纤维残余变形;
步骤4,采用“生死单元”法,将失效的单元删除并重新生成单元,赋予新生成的单元相应的材料属性;
步骤5,按照步骤3的方法,对步骤4重新生成单元后的格构断裂模型进行计算分析,获得纤维界面的应力-应变曲线II;
对应力-应变曲线I和应力-应变曲线II进行叠加,并将叠加后的交点作为汇合点,删除应力-应变曲线I位于汇合点之后的数据以及应力-应变曲线II位于汇合点之前的数据,作为试件I的模型计算结果;
步骤6,将步骤5的试件I的模型计算结果与试件I的试验结果进行对比分析,调整各单元的材料属性,获得各单元调整后的材料属性;
步骤7,对试件II按照步骤1~5的方法进行模拟计算,并在模拟计算过程中输入步骤6各单元调整后的材料属性,获得试件II的模型计算结果。
在一个优选的实施例中,所述材料属性为压痕模量和压痕硬度;
压痕模量作为微观结构的弹性模量;
按照如下计算公式,将压痕硬度转换为抗拉强度:
σb=α·H;
其中,α为常数,σb为抗拉强度;H为压痕硬度。根据试验结果α通常为1/30。
在一个优选的实施例中,步骤1中,所述微观分析为扫描电镜分析,所述微观结构图像为背散射电子图像。
在一个优选的实施例中,对试件I进行纳米压痕分析的具体操作是:
对试件I设计纳米压痕点的位置、数量和深度,然后对试件I进行纳米压痕试验,以获得微观结构各组成成分的材料属性。
在一个优选的实施例中,所述格构断裂模型是利用有限元理论对试件I的微观结构图像建立的几何网格模型,通过迭代计算断裂失效单元,移除失效单元,模拟模型断裂过程;
所述步骤2的具体操作是:
建立基于节点的节点集;所述节点包括纤维节点和混凝土基体节点;
对节点集进行狄洛尼三角剖分从而生成网格,采用梁单元对节点进行连接,生成格构断裂模型;
所述格构断裂模型的每个几何网格中均含有一个节点;
根据步骤1的微观结构分相结果对各节点进行分类;
根据各节点的分类结果,对所述格构断裂模型进行单元划分;
根据步骤1的纳米压痕分析结果赋予划分的各单元相应的材料属性。
在一个优选的实施例中,步骤4中,重新生成单元的过程为:
在删除失效的单元后,将所有的纤维节点向纤维加载点位置平移,平移距离为残余变形值,对平移后的纤维节点进行局部狄洛尼三角剖分,以生成摩擦单元。
在一个优选的实施例中,所述残余变形值是根据纤维拉拔试验获得的极限弹性变形与残余变形的经验关系确定;
所述局部狄洛尼三角剖分是在纤维节点与混凝土基体节点之间进行。
在一个优选的实施例中,应力-应变曲线I是模拟纤维拉拔过程脱黏段;应力-应变曲线II是模拟纤维拉拔过程摩擦滑移段;叠加后的汇合点是模拟脱黏段的应力-应变曲线的下降段与模拟摩擦滑移段的应力-应变曲线的上升段的交点。
在一个优选的实施例中,步骤7还包括:
将步骤7获得的试件II的模型计算结果与试件II的试验结果进行比对,以验证本方法的准确度。
在一个优选的实施例中,所述试件I与所述试件II均是由以下方法制备而成:
将水泥浆料倒入模具中,并埋入纤维,脱模后切割以形成混凝土单根纤维拉拔试验试件。
其中,所述试件I与所述试件II的微观结构不同。
在一个优选的实施例中,水泥浆料是由水泥、硅粉、减水剂、增稠剂按照质量比为1:0.3:0.0005:0.0005与水混合而成。
在一个优选的实施例中,所述增稠剂为甲基纤维素;所述减水剂为萘系减水剂、蒽系减水剂、甲基萘系减水剂、氨基磺酸盐系减水剂中的任意一种。
在一个优选的实施例中,所述单元是微观结构各组成成分与纤维之间的连接单元;所述单元包括黏结单元和摩擦单元;
所述黏结单元是用于模拟混凝土基体与纤维之间的黏结作用的单元;
所述摩擦单元是用于模拟混凝土基体与纤维之间的摩擦滑移作用的单元。
具体实施例
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解,现对本发明的技术方案进行以下详细说明,但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式,并非用于限制本发明。另外,对于本发明中的数值范围,应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
下述各实施例中所述方法如无特殊说明,均为常规方法;所述试剂和材料,如无特殊说明,均可在市场上购买得到。
实施例1
如图5,一种混凝土中纤维拉拔性能的数值模拟方法,包括以下步骤:
步骤1,制备混凝土单根纤维拉拔试验的试件;
以甲基纤维素作为增稠剂,减水剂采用萘系减水剂,将水泥、硅粉和甲基纤维素按照质量比1:0.3:0.005添加到搅拌机中混合搅拌5分钟,之后缓慢倒入水和减水剂并搅拌至浆体均一,水泥与减水剂的质量比为1:0.005;充分搅拌过后得到水泥浆料,将水泥浆料倒入板型模具。
沿着板型模具四周将纤维于水泥浆一半高度位置处水平插入,纤维埋入深度0.8mm,纤维间隔10mm。
纤维埋入混凝土后一天进行脱模,养护14天后进行切割,形成混凝土单根纤维拉拔试验试件,以下简称为试件。以混凝土单根纤维拉拔试验试件为样品进行以下步骤。
表1材料
步骤2,通过扫描电镜分析获取微观结构各组成成分的空间分布;
采用扫描电镜,获取样品的背散射电子图像,得到纤维周围混凝土的微观结构;
对准备电子扫描的样品沿着纤维中轴线切割,之后对样品打磨、抛光直至表面光滑。将处理好的样品放入电子扫描电镜工作台上。
采取微观结构图像。例如,采用FESEM,JEOL JSM-7600F型号的电子扫描电镜,5keV低电压和3-5mm的低工作距离获得背散射电子图像,如图1。
图1是试件纤维周围的混凝土微观结构背散射电子图像。由图1可以看出纤维与混凝土的位置关系和微观结构组成成分分布情况。
步骤3,根据微观分析获得微观结构图像以及各组成成分的灰度值,对灰度值按照全局阈值法对微观结构分相。
图2是混凝土单根纤维拉拔试验试件背散射电子图像和格构模型示意图。例如,如图2,通过对微观结构背散射电子图像灰度值的分析,将微观结构分为孔隙、未水化水泥颗粒、氢氧化钙、高密度水合硅酸钙和低密度水合硅酸钙等。
步骤4,通过纳米压痕试验,获取微观力学性能;
设计纳米压痕点的位置、数量和深度。将电子扫描过后的试件放入纳米压痕试验机中,进行纳米压痕试验,分析得到微观各组成成分的压痕模量和压痕硬度,并将压痕模量和压痕硬度转换为微观结构的弹性模量和抗拉强度。
确定纳米压痕点的位置:纳米压痕点设计于混凝土基体中靠近纤维位置。例如,设计纤维两侧各500个纳米压痕点,每两个纳米压痕点之间间隔10μm,沿纤维垂直方向10排,50列,离纤维最近的一排纳米压痕点至纤维的垂直距离10μm。
将经过抛光、打磨处理好的试件放入纳米压痕试验机中,按照设计的纳米压痕点的位置,进行纳米压痕试验,压痕深度为500nm。
通过公式σb=α·H,将压痕硬度H转化为抗拉强度σb,根据试验结果α通常为1/30;压痕模量作为微观结构的弹性模量。
步骤5,建立网格几何模型,并按照组成成分划分节点和单元;
建立网格几何模型,根据步骤3确定的微观结构分相结果,对几何模型进行区域划分。
下面将通过示例介绍建立网格几何模型的方式,示例:
如图2,设计600μm×1040μm的2-D平面模型,长度为1040μm,纤维直径40μm,混凝土基体位于纤维两侧,长度为500μm,宽度为600μm,从纤维底端至试件表面的深度为500μm,取纤维底端混凝土基体100μm的厚度,纤维顶部向加载点位置方向延长,延长距离与纤维锚固加载合力点至试件表面的垂直距离一致,例如,本次试验加载合力点至试件表面距离为1mm,则延长距离为1mm。试件网格单元长度取1μm,则建立1040×600个网格,纤维延长区域额外生成网格,每个网格中含一个节点。每个节点的位置将随机于网格中的任意位置,设置网格自由度为0.5,则节点随机分布于网格尺寸为0.5×0.5的同心正方形网格内。考虑到纤维是各向同性材料,纤维网格中的节点位于网格中心。
根据步骤3的微观结构分相结果,对节点分类,示例:按照微观结构背散射电子图像分析结果,将节点划分为未水化水泥颗粒节点、氢氧化钙节点、高密度水合硅酸钙节点和低密度水合硅酸钙节点等,如节点位于孔隙位置处,则删除节点。
步骤6,对节点集进行狄洛尼三角剖分生成网格,建立格构断裂模型。
格构断裂模型是一种基于有限元理论的网格模型,通过迭代计算断裂失效单元,移除失效单元,模拟模型断裂过程。本发明实施例通过格构断裂模型实现模拟单根纤维拉拔试验。
示例:如图3(a),对步骤5所述的节点集进行狄洛尼三角剖分生成网格,网格的连接采用梁单元,单元的连接方式为固结。
步骤7,赋予单元材料属性,设置边界条件;
根据步骤4的纳米压痕试验结果,对格构断裂模型赋予单元材料属性,并设置边界条件。
基于节点的分类结果,对格构模型的单元进行划分,并根据步骤4的纳米压痕分析结果赋予单元相应的材料属性。示例:
微观结构组成成分划分结果为:孔隙、未水化水泥颗粒、氢氧化钙、高密度水合硅酸钙和低密度水合硅酸钙。
孔隙位置无节点,因此不产生孔隙单元。
若单元两侧节点代表未水化水泥颗粒,则该单元划分为未水化水泥单元,赋予单元未水化水泥的弹性模量及受拉强度;若单元两侧节点分别代表未水化水泥颗粒和氢氧化钙晶体,则该单元划分为未水化水泥颗粒与氢氧化钙晶体的连接单元,依据节点位置权重分配该单元的弹性模量,抗拉强度取两种相的最低值;依次类推,划分氢氧化钙单元、低密度水合硅酸钙单元、高密度水合硅酸钙单元、纤维单元、未水化水泥与低密度水合硅酸钙的连接单元、未水化水泥与高密度水合硅酸钙的连接单元、未水化水泥与纤维的连接单元、氢氧化钙与低密度水合硅酸钙的连接单元、氢氧化钙与高密度水合硅酸钙的连接单元、氢氧化钙与纤维的连接单元、低密度水合硅酸钙与高密度水合硅酸钙的连接单元、低密度水合硅酸钙与纤维的连接单元、高密度水合硅酸钙与纤维的连接单元。
微观结构各组成成分与纤维的连接单元根据纤维拉拔的不同过程,分为黏结单元和摩擦单元。按照纳米压痕分析结果中微观结构各组成成分压痕模量和压痕硬度比例,初拟黏结单元的材料属性,然后通过对比分析模型计算与试验结果,对单元材料属性进行调整。根据试验的边界条件和加载方式,将模型底端的混凝土基体节点设置为固结,纤维的顶端设置为位移加载。
步骤8,对格构断裂模型进行计算,并记录计算结果;
进行格构断裂模型计算,记录断裂失效单元如图3(b)。
此模拟计算为纤维脱黏过程,即纤维与混凝土各组成成分的化学键断裂过程。在每一次迭代过程中,记录破坏的单元序号和单元类型,例如:单元类型为纤维与混凝土基体的界面单元或混凝土基体单元,直至模型计算结束。
步骤9,进入模型计算后处理阶段,获得位移-荷载曲线,计算脱黏过程的残余变形,如图3(c)。
获取位移-荷载曲线,根据纤维混凝土受力特点,将位移-荷载曲线转化为界面的切应力-应变曲线。
试件的荷载传递方式为:荷载从加载点沿纤维轴向传递,通过纤维与混凝土基体的界面,传递至混凝土基体。
纤维表面的切应力计算方式为:荷载与界面表面积(纤维嵌入混凝土基体的侧面积)的比值;应变计算方式为:加载点位移与纤维锚固长度的比值。
根据纤维试验极限弹性变形与残余变形的经验关系,确定格构断裂模型脱黏过程的残余变形。
步骤10,采用“生死单元”法模拟纤维单根拉拔试验的非线性断裂过程;
采用“生死单元”法,将失效单元删除并重新生成摩擦单元,赋予新单元相应的材料属性。
如图3(c),将失效单元从格构断裂模型中全部删除。此时,纤维节点会与混凝土基体节点相互独立,没有连接,将所有的纤维节点向纤维加载点位置平移,平移距离为残余变形值,纤维单元伴随纤维节点共同平移。对平移后的纤维节点进行局部狄洛尼三角剖分,以生成摩擦单元,包括未水化水泥与纤维的界面单元、氢氧化钙与纤维的界面单元、低密度水合硅酸钙与纤维的界面单元、高密度水合硅酸钙与纤维的界面单元,其它单元保持不变。根据微观结构各组成成分与纤维之间的摩擦系数的比例,初拟摩擦单元的材料属性,摩擦系数由各组成成分与纤维摩擦试验结果拟合得到,之后通过对比分析模型计算与试验结果,对单元材料属性进行调整。其它单元材料属性不变,模型的加载方式和边界条件保持不变。
步骤11,继续进行模型计算,获取最终计算结果;
继续对格构断裂模型进行计算,获得位移-荷载曲线。
控制位移加载的绝对位移作为模型收敛条件,如本次迭代位移达到模型尺寸的0.01倍则模型运算结束。提取模型计算的裂缝图,模型计算的位移-荷载曲线等结果,按照步骤9的方法同样转化为纤维的应力-应变曲线。
步骤12,判断模型计算结果与试验结果是否吻合良好(R2>0.8);若判断结果为否,则结合试验结果调整界面单元材料属性,返回步骤7;若判断结果为是,则保存界面单元微观力学性能,并应用于模拟不同混凝土微观结构的纤维拉拔过程。
对模型计算结果汇总,得到最终的模型计算结果,并与试验结果对比,调整各界面单元(黏结单元和摩擦单元)的材料属性,获得界面单元调整后的材料属性。
将模型计算结果汇总。将模型计算(模拟脱黏段)结果的应力-应变曲线与模型计算(模拟摩擦滑移段)结果的应力-应变曲线叠加,将模拟脱黏段的应力-应变曲线下降段和模拟摩擦滑移段的应力-应变曲线弹性上升段的交点作为汇合点,删除脱黏段应力-应变曲线于汇合点之后的数据和摩擦滑移段应力-应变曲线上升至汇合点之前的数据,叠加后的应力-应变曲线作为最终的模型计算结果。将模型计算结果与试验结果对比,对模型黏结单元和摩擦单元的材料属性微调,如刚度偏小提升单元刚度,强度偏小则提升单元强度,反之亦然。将调整材料属性后的格构断裂模型重新计算,直至结果拟合试验结果,使得决定系数R2>0.8。
步骤13,将模型应用于其它不同微观结构的试件,验证模型的准确性和通用性。
将最终的黏结单元和摩擦单元的材料属性,输入其它不同微观结构的试件模型中,按照上述步骤,依次对微观结构分相处理,建立格构断裂模型,赋予单元材料属性,设置边界条件,进行模型计算,利用“生死单元”法重新生成摩擦单元,继续进行模型计算,提取模型计算结果,获取模型计算应力-应变全曲线结果,与试验值对比,结果如图4,验证本方法的准确性和通用性。
以上仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种混凝土中纤维拉拔性能的数值模拟方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,对试件I沿纤维中轴线切割和磨抛处理,通过微观分析获得微观结构图像以及各组成成分的灰度值,并按照全局阈值法对微观结构分相;
对试件I进行纳米压痕分析,以获取微观结构各组成成分的材料属性;
步骤2,建立格构断裂模型,根据步骤1的微观结构分相结果对格构断裂模型进行单元划分,并根据步骤1的纳米压痕分析结果赋予划分的各单元相应的材料属性;
步骤3,对格构断裂模型进行计算分析,记录断裂失效的单元,获得位移-载荷曲线,并转化为纤维界面的应力-应变曲线I,计算纤维残余变形;
步骤4,采用“生死单元”法,将失效的单元删除并重新生成单元,赋予新生成的单元相应的材料属性;
步骤5,按照步骤3的方法,对步骤4重新生成单元后的格构断裂模型进行计算分析,获得纤维界面的应力-应变曲线II;
对应力-应变曲线I和应力-应变曲线II进行叠加,并将叠加后的交点作为汇合点,删除应力-应变曲线I位于汇合点之后的数据以及应力-应变曲线II位于汇合点之前的数据,作为试件I的模型计算结果;
步骤6,将步骤5的试件I的模型计算结果与试件I的试验结果进行对比分析,调整各单元的材料属性,获得各单元调整后的材料属性;
步骤7,对试件II按照步骤1~5的方法进行模拟计算,并在模拟计算过程中输入步骤6各单元调整后的材料属性,获得试件II的模型计算结果;
步骤4具体为:将失效单元从格构断裂模型中全部删除;此时,纤维节点会与混凝土基体节点相互独立,没有连接,将所有的纤维节点向纤维加载点位置平移,平移距离为残余变形值,纤维单元伴随纤维节点共同平移;对平移后的纤维节点进行局部狄洛尼三角剖分,以生成摩擦单元,包括未水化水泥与纤维的界面单元、氢氧化钙与纤维的界面单元、低密度水合硅酸钙与纤维的界面单元、高密度水合硅酸钙与纤维的界面单元,其它单元保持不变;根据微观结构各组成成分与纤维之间的摩擦系数的比例,初拟摩擦单元的材料属性,摩擦系数由各组成成分与纤维摩擦试验结果拟合得到,之后通过对比分析模型计算与试验结果,对单元材料属性进行调整;其它单元材料属性不变,模型的加载方式和边界条件保持不变。
2.根据权利要求1所述的混凝土中纤维拉拔性能的数值模拟方法,其特征在于,所述纳米压痕分析结果为微观结构各组成成分的材料属性;
所述材料属性为压痕模量和压痕硬度;
压痕模量作为微观结构的弹性模量;
按照如下计算公式,将压痕硬度转换为抗拉强度:
σb=α·H;
其中,α为常数,σb为抗拉强度;H为压痕硬度。
3.根据权利要求1所述的混凝土中纤维拉拔性能的数值模拟方法,其特征在于,对试件I进行纳米压痕分析的具体操作是:
对试件I设计纳米压痕点的位置、数量和深度,然后对试件I进行纳米压痕试验,以获得微观结构各组成成分的材料属性。
4.根据权利要求1所述的混凝土中纤维拉拔性能的数值模拟方法,其特征在于,所述格构断裂模型是利用有限元理论对试件I的微观结构图像建立的几何网格模型,通过迭代计算断裂失效单元,移除失效单元,模拟模型断裂过程;
所述步骤2的具体操作是:
建立基于节点的节点集;所述节点包括纤维节点和混凝土基体节点;
对节点集进行狄洛尼三角剖分从而生成网格,采用梁单元对节点进行连接,生成格构断裂模型;
所述格构断裂模型的每个几何网格中均含有一个节点;
根据步骤1的微观结构分相结果对各节点进行分类;
根据各节点的分类结果,对所述格构断裂模型进行单元划分;
根据步骤1的纳米压痕分析结果赋予划分的各单元相应的材料属性。
5.根据权利要求1所述的混凝土中纤维拉拔性能的数值模拟方法,其特征在于,所述残余变形值是根据纤维拉拔试验获得的极限弹性变形与残余变形的经验关系确定;
所述局部狄洛尼三角剖分是在纤维节点与混凝土基体节点之间进行。
6.根据权利要求1所述的混凝土中纤维拉拔性能的数值模拟方法,其特征在于,应力-应变曲线I是模拟纤维拉拔过程脱黏段;应力-应变曲线II是模拟纤维拉拔过程摩擦滑移段;叠加后的汇合点是模拟脱黏段的应力-应变曲线的下降段与模拟摩擦滑移段的应力-应变曲线的上升段的交点。
7.根据权利要求1所述的混凝土中纤维拉拔性能的数值模拟方法,其特征在于,步骤7还包括:
将步骤7获得的试件II的模型计算结果与试件II的试验结果进行比对,以验证本方法的准确度。
8.根据权利要求1所述的混凝土中纤维拉拔性能的数值模拟方法,其特征在于,所述试件I与所述试件II均是由以下方法制备而成:
将水泥浆料倒入模具中,并埋入纤维,脱模后切割以形成混凝土单根纤维拉拔试验试件;
水泥浆料是由水泥、硅粉、减水剂、增稠剂按照质量比为1:0.3:0.0005:0.0005与水混合而成。
9.根据权利要求1所述的混凝土中纤维拉拔性能的数值模拟方法,其特征在于,所述单元是微观结构各组成成分与纤维之间的连接单元;所述单元包括黏结单元和摩擦单元;
所述黏结单元是用于模拟混凝土基体与纤维之间的黏结作用的单元;
所述摩擦单元是用于模拟混凝土基体与纤维之间的摩擦滑移作用的单元。
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