数值模拟大坝混凝土动态特性的基于模糊集

文摘

混凝土的动态特性是大坝地震安全性设计的关键。为了研究混凝土的动态特性,CT扫描测试混凝土的动态负荷下进行;混凝土加载过程的CT扫描图像。基于完整性的定义,完整性,定量区划理论和拦截部分,混凝土CT图像被分成洞或裂缝区( ),硬化水泥石区( ),和总区( )。和分区阈值的测定方法进行了研究。然后,基于CT分辨率单元,一个具体的数值计算模型建立了结构随机,和混凝土单轴动态载荷的数值模拟实验。结果表明,混凝土结构随机数值计算模型非常接近实际的混凝土中构造,以及聚合和硬化水泥之间的界面厚度非常接近实际的界面厚度(40 ~ 50μ米),动载荷的作用下,样品的损伤主要集中在上部的样本,和伤害是容易发生在初始缺陷的地方,和损害同时出现在多个点。损伤裂纹相对直接,裂纹通过聚合的现象是显而易见的,和裂纹扩展能量释放的最快路径。

1。指令

混凝土的力学性能相关的安全性评价大坝混凝土结构在动载荷下,这是当前研究的重点。自中尺度数值混凝土出现的概念,基于有限元数值模型已广泛应用于混凝土的动态特性的研究。

勇et al。1)建立了一个三维随机骨料模型并进行了数值模拟研究混凝土在使用LS-DYNA软件渗透测试目标。陈等人。2)开发了一种mesomechanical预处理算法来构造随机椭圆形骨料模型的全级配混凝土的介观结构。元等。3]研究了大坝混凝土的动态强度特性使用随机骨料模型。悦et al。4)模拟海水珊瑚骨料混凝土的动态拉伸性能通过使用3 d介观的具体模型。在这些模型和方法,混凝土被认为是由骨料、砂浆、界面(5- - - - - -6]。砂浆矩阵、聚合、孔隙和界面对混凝土的力学性能有显著影响(7- - - - - -8]。因此,在模拟的过程中混凝土的力学行为和破坏特征,是非常重要的代表中构造尽可能实际混凝土数值模型。大量的研究人员(9- - - - - -16)重建二维或三维的具体数值计算模型基于x射线CT扫描技术,和混凝土的力学性能进行了研究使用模型。桔多琪et al。17]提出使用l CT技术获得真正的SRM结构信息样本,构建3 d SRM模型PFC3D代表SRM的异质性和不规则结构。郑et al。18,19)提供一个计算机程序重构低渗透性砂岩的三维多孔结构信息的基础上建立一个参考模型,从计算机断层扫描(CT)图像。检查一个煤炭断裂结构的发展规律在单轴压缩下,紧张,和剪切,郝et al。20.)扫描加载后的煤炭使用计算机断层扫描(CT)和分段煤炭矩阵,矿物质和骨折的CT扫描图像煤炭利用阈值分割方法。王等人。21,22)建立了煤炭样品的三维数值模型基于CT扫描图像,研究了渗流和变形特征不同pore-fracture结构的煤在不同温度下。

然而,这些模型的元素有很大的奇点,和厚度的界面模型很大,这与真正的混凝土仍有一定的差距。

为此,CT测试混凝土的动态进行了单轴压缩下,和具体的扫描图像定量划分基于破坏分区理论,并建立了结构随机数值型混凝土模型;单轴动态压缩应力下的混凝土的力学性能进行了研究使用模型。

1.1。单轴动态压缩CT测试

本试验采用新开发的便携式电动加载设备西安理工大学,这是第一动力负载测试设备与CT扫描仪在中国(23]。CT扫描仪使用马可尼M8000螺旋CT扫描的图像大小 。最大但是扫描成像速度是0.5秒。装运扫描装置如图1。

这个测试使用一年级C15混凝土圆柱试样,样品的直径60毫米,和is120mm长度;水灰比是0.4,总粒子大小是5 - 20毫米。治愈28天在标准条件下,样品,然后进行测试。

在测试,正弦波载荷是2赫兹的频率,和每个振动振幅超过3次,逐渐增加振幅。在单轴压缩的初始阶段,采用应力控制加载。在第二次扫描,调整加载位移控制和载荷增量是0.002毫米。在扫描期间,停止加载,但卸载不进行,压力峰值是维护。总共7进行扫描,直到测试样本时停止损坏。扫描位置如图2,样品损伤的CT图像如图所示3。

2。建立“结构随机数值型混凝土模型”

2.1。定量划分理论

2.1.1。完整度

模糊数学理论的基础上,整个CT扫描图像被称为整个领域,它是由一组表示 。整个领域的任何点完成,但诚信是不同的。在此基础上,完整性可以定义如下: 在哪里 空间点的CT数吗 ,可以定义如下: 在哪里的线性衰减系数x射线扫描图像,矿物质和水。

根据这个定义,完整度的区间 。

随着负载的增加,扫描的图像是独一无二的,每个部分,每个部分的CT数分布是不同的。规范化的CT数、完整性和破损有普遍的适用性,大大简化了混凝土CT测试的研究。

2.1.2。水平的完整性的领域

研究区域的完整性和断裂的现象被完整度的概念模糊。为了研究混凝土的裂缝发展规律与物理概念清晰,与microdamage连接宏观裂缝,完整性级别是这里介绍的概念。

假设 ,集 被定义为完整的样本域级,所表达的 。

域完整性本质上是所有CT分辨率单元的集合的CT数大于一定的阈值。可以看出,只要的价值是正确的选择,代表所有CT的集合点的密度小于某个阈值,即裂纹区域或区域的损害。

因此,水平域完整性的样本可以被视为经典损伤力学的损伤区域或断裂力学裂纹,从而实现从微观到宏观的过渡和连接混凝土的损伤与断裂。

2.1.3。截取部分

的研究水平的完整性域只是一项决议从1到单位 。然而,混凝土是一种多相材料由骨料、水泥硬化,腔裂缝。为了区分它们的定义截取部分可以介绍来描述它。

假设 ,集 被定义为完整的域截获部分,表达了 。事实上,截获部分是一个统计解析单元的密度样本区间内 。截获的内涵部分非常简单,但其扩展十分丰富。截获部分在实践中,可以应用于分层的基础上,联合夹层的定义,断裂带分工,分工的岩石或混凝土,材料完整性的定义,损伤与断裂区等。

图4显示了分区截获部分扫描部分的一个具体的示例。截获部分可以区分不同密度的材料在混凝土,如骨料、水泥砂浆和裂缝。

2.2。定量分区

具体定义如下:

当 ,物质被认为包含毛孔或断裂。它被称为孔裂纹区域和来标示 。

当 ,材料的完整性是将军,和材料硬化水泥区并表示 。

当 ,材料完整性高聚合地区(粗和细骨料)和来标示 。

裂缝带的门槛,水泥硬化区,然后呢是硬化水泥和骨料的门槛。材料参数,这是常数。

分区的重点是如何确定合理的分割阈值 。对于均质岩石,使用最大最小法可以获得。然而,对于混凝土,这种方法不能使用。该方法提出了基于均质材料。因此,它适用于异构的材料,如混凝土,是有限的。因此,用概率统计的方法来确定阈值。

混凝土复合材料是一种由骨料、砂浆和ITZ。分区的概念表明,其分辨率单元应该持续的一个组成部分,逐步分布,以避免大跳跃变化。分辨率单元的分布在不同的组件绑定到某一跳。这种观点表明,选择一个作为宇宙CT扫描 ,总共需要137027分辨率的单位。阈值之间的统计关系,解决单元如图5,横坐标是阈值,纵坐标是相应数量的统计单位。

如图5阈值大约0.7和0.84时,分辨率统计单位的数量有一个大跳;因此,分别是0.7和0.84。

2.3。建模思想

首先,CT扫描图像需要处理,包括图像定位和图像CT数提取。FORTRAN语言编写的源程序是阅读CT扫描数据文件,进行详细的位置是根据图像。定位精度是CT分辨率点(约0.009毫米),基于模型的重建范围被确定,然后,提取CT重建范围内数量。

在CT图像,CT数越大,亮度越高,代表物质的密度就越大。形象,亮的地方是总(粗骨料和细骨料),灰色区域是砂浆(水泥水化、硬化的产物),黑色区域是孔和裂纹。

使用定量分区理论,FORTRAN源程序编译处理提取CT数字,然后,“混凝土数值模型的结构随机”重建的有限元软件。具体的建模思想如图6。

结构随机”的“具体数值模型建立了根据上述建模思想如图7。

3所示。基于结构随机数值实验研究

3.1。数值试验条件

按照物理测试,材料参数如表所示1可以获得。

在数值模拟中,约束条件的完整约束样品表面和底部的水平限制示例顶面。具体的负载下的失败是由物质损失引起的。可以使用弹塑性损伤模型作为理论工具来处理压力混凝土材料的损伤。因此,本文采用塑性损伤模型,基于塑性和假定混凝土材料有两种损伤,一个是拉伸破坏主拉应力引起的,另一个是压力损失破碎造成的压力。为损伤变量 ,他们的价值范围是 。0时,它意味着材料完整无破损,当1,这意味着材料完全损坏。

有效应力和硬化变量描述的模型是:

和应该满足Kuhn-Tucker条件,即 , , 。

柯西应力可以通过使用损害因素 和有效应力:

材料单轴拉伸载荷下的损伤变形如图8。在失败的压力。当压力是在初始屈服应力 ,拉应力和应变之间的关系是线性的(线性弹性关系),然后,材料进入软化变形阶段。在这个过程中,材料的刚度退化。材料裂缝时,可以表示为

它可以从图中获得8:

单轴压缩荷载作用下,当初始屈服应力(前的压力 ),材料的应力-应变关系是线性的弹性,这一阶段是弹性变形阶段。当压力之间和极限应力( ),材料在强化阶段,然后,压力继续增加,材料进入软化阶段。

根据(非弹性变形),相应的淬火可以获得数据。

从图可以看出9,有以下的关系 :

因此,可以从图中获得9。

然后,张力和压缩下的应力-应变关系可以获得:

模型假定刚度退化是各向同性,可以被描述为一个标量参数 :

和相关材料的应力状态,可以表示为 在哪里和是重量因素。根据图10,当 ,然后

在方程(15),当材料在拉应力的状态, 和 。当材料的压应力, 。如果 ,然后 ,压缩刚度已恢复。如果 和 ,刚度不恢复。如果 ,刚度是部分恢复。

由于混凝土的抗拉和抗压性能的最大区别,损害的因素可以根据计算拉伸和压缩条件,分别。抗压破坏的因素可以从方程(获得12):

用 和 在方程(12),我们可以得到 在哪里 。

同样,cordera危害因素: 在哪里 。

3.2。分析测试结果

根据上面的计算条件,具体数值模拟进行测试,和位移云图和损伤标本的动态负载和负载的变化,如图11和12。

从图可以看出11具体样本的纵向位移变化更加均匀地在加载的初始阶段。样品的顶部位移大于底部,有一个附近的位移突然改变初始缺陷(孔洞和裂缝)。这是由于初始缺陷附近的应力集中,导致试样的应变局部化,这是符合试样的压缩密实化的理解。位移加载的进一步增加,新的损伤裂缝出现在标本,标本和位移的初始缺陷进一步变异,导致更多的不均匀位移在整个部分的标本。这可以从图中找到11初始缺陷越集中,越容易标本将受损,应力集中越明显,越明显位移突变。这就解释了应变局部化从一边的起源。

从图可以看出12动载荷下的损伤样本主要集中在上部的样本,和很容易造成破坏的初始缺陷样本,和多点损伤发生在同一时间。的破坏裂纹相对直接,和骨料周围的现象不明显。在一些地方,有一个现象,裂缝通过聚合。这不同于裂缝的发展在静载下的界面聚合的力量较弱。

主要原因是动载荷的作用下,由于加载速率快,裂缝发展迅速,所以裂纹没有时间跟着弱表面聚合,但遵循的路径快速的能量释放。这是符合物理结果CT测试动力作用下凝固。

通过上面的分析,结果表明,动态数值模拟测试通过使用“结构随机混凝土数值模型”表明,混凝土的位移和损伤变化规律非常类似于当前的物理测试研究所得出的结论,这表明本文建立的模型更实用的模拟混凝土的动态测试。

4所示。结论

摘要CT测试混凝土的动态进行了单轴压缩下,“混凝土结构随机数值模型”构建基于CT图像,和单轴动态压缩应力下的混凝土的力学性能进行了研究使用模型。本研究的结论如下。(1)基于动态加载的混凝土CT试验和定量分区理论,概率统计方法来确定分割阈值,提出了与混凝土”结构随机数值模式”建立了基于CT分辨率的单位。结构随机”的“具体数值模型非常接近真正的混凝土中构造;它可以描述混凝土中构造,可以反映聚合和硬化水泥界面。此外,界面的厚度是0.04毫米,这是非常接近真正的界面厚度(大约10 - 50μ米)(2)在动载荷的作用下,损伤样本主要集中在上部的样本,和很容易造成破坏的初始缺陷样本,和多点损伤发生在同一时间。混凝土的损伤裂纹快速发展;裂纹没有足够的时间跟周围的弱侧聚集,但遵循的路径能量释放快

数据可用性

基本的数据支持我的研究结果可以在文章中找到。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

研究由中国自然科学基金资助(51979225号),陕西省自然科学基金会中国教育部(18 jk0547)、科技创新项目的西安科技大学(2016号cx026)和西安理工大学学校医生金(107 - 451116012)。

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