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基于ANSYS的活性粉末混凝土力学行为模拟

作　者: 刘明珍
导　师: 杜应吉
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 水工结构工程
关键词: RPC 纳米SiO2 力学性能 ANSYS 随机钢纤维数值模拟
分类号: TU528
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）是一种新型材料，具有超高抗压强度、良好耐久性、高韧性和良好的体积稳定性能，具有广阔的应用前景，已成为国际工程材料领域一个新的研究热点。目前关于RPC的研究多以宏观试验为主，主要集中在配制技术和力学性能的研究方面，缺乏细观层次破坏机理的研究。但要掌握混凝土破坏规律，必须从材料本身的细观结构入手来研究其力学性能和破坏过程。本文采用试验研究和数值模拟两者结合的方法来对其进行研究，为研究RPC力学性质提供了一条新思路。首先进行了RPC试块的力学性能试验，并分析RPC的抗折强度、抗压强度、劈裂抗拉强度的变化规律；其次利用有限元软件ANSYS，采用分离式有限元模型建立随机钢纤维模型，模拟RPC试件在单轴荷载作用下裂纹的形成和扩展，并通过计算得到了RPC的宏观力学指标。通过本文的研究工作，可得出如下结论：（1）通过RPC试件做抗折强度，抗压强度和劈裂抗拉强度试验数据得出：当硅灰掺量一定时，随着水胶比逐渐增大，拌和物流动度逐渐增大；RPC的7d和28d的抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度都随着水胶比的逐渐增大呈现降低趋势。当水胶比一定时，随着硅灰掺量的增加，RPC的7d和28d的抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度呈现增大趋势；RPC的流动性明显减小，水胶比越大，曲线越陡，流动度减小趋势越明显。（2）随着纳米SiO₂掺量的增加，RPC的流动性先增大后减小。当纳米SiO₂掺量为0.5%时，RPC流动度最大。随着纳米SiO₂掺量的增加，RPC的抗折强度值、抗压强度值和劈裂抗拉强度值均先增大后减小。（3）通过RPC的柱体抗压强度试验得出：随着纳米SiO₂掺量的增加，RPC的棱柱体抗压强度值先增大后减小；弹性模量与轴心抗压强度的变化规律相同，但两者之间并不成正比；峰值应变随着棱柱体抗压强度增加而增加。纳米SiO₂的掺量变化对RPC的横向变形系数基本没有影响，其值具有一定的离散性。（4）借鉴随机骨料模型的思想，利用有限元ANSYS建立了与RPC结构在统计意义上类似的随机钢纤维模型。（5）对生成的RPC试件进行了单轴压缩和单轴拉伸过程的计算机仿真模拟，通过计算得到RPC试件的抗压、抗拉强度和宏观应力-应变曲线。模拟所得受压曲线的上升段与试验所得曲线拟合度较高，说明数值模拟与实际试验有较好的对应关系。（6）对试件受载时的破坏过程模拟表明初始受力阶段，破坏单元一般产生于RPC内部强度相对较低的界面过渡区。（7）在单轴拉伸时出现的微小裂纹方向大致上是垂直于加载方向，即沿着水平方向开裂，随后微裂纹开始向界面附近的砂浆单元扩展。随着位移荷载的不断增加，多条裂纹沿着界面区扩展并通过砂浆相互连接，在试件内部形成宏观裂纹，直至最后贯通整个试件。而在受压时出现较小的竖向裂纹，随着荷载的增加，不断出现新的裂纹，裂纹扩展速度加快，多数裂缝迅速向宽度方向发展，随着破坏单元不断产生，多条裂纹相互连接，直至最后贯通整个试件。（8）结合已有混凝土本构关系模型对RPC受压和受拉本构关系进行了推导，得到了本构方程。（9）从数值模拟结果看出，利用数值模拟可以通过部分试验资料较好预测混凝土的力学行为，减少试验研究工作量，具有较好的经济价值。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-22
  1.1 RPC 的定义及特性  12-14
    1.1.1 RPC 的定义  12
    1.1.2 RPC 的配制机理  12-13
    1.1.3 RPC 的特性  13-14
  1.2 RPC 的研究与应用现状  14-17
    1.2.1 RPC 在国外的研究与应用  14-15
    1.2.2 RPC 在国内的研究与应用  15-16
    1.2.3 目前存在的问题  16-17
  1.3 混凝土试验的数值模拟  17-20
    1.3.1 混凝土试验数值模拟的提出  17-18
    1.3.2 混凝土试验数值模拟研究进展  18-20
  1.4 本文的研究意义和主要研究内容  20-22
    1.4.1 课题的研究意义  20-21
    1.4.2 本文的主要研究内容  21-22
第二章 RPC 的基本力学性能试验研究  22-38
  2.1 RPC 的主要原材料  22-25
    2.1.1 水泥  22
    2.1.2 硅灰  22-23
    2.1.3 纳米 SiO_2  23
    2.1.4 石英砂  23-24
    2.1.5 高效减水剂  24
    2.1.6 矿渣  24
    2.1.7 钢纤维  24-25
  2.2 RPC 试件的设计与制作  25-26
    2.2.1 试件的尺寸  25
    2.2.2 试件的制备工艺  25-26
  2.3 力学性能试验方法  26-29
    2.3.1 抗折强度试验  26-27
    2.3.2 抗压强度试验  27-28
    2.3.3 劈裂抗拉强度试验  28
    2.3.4 棱柱体抗压强度试验  28-29
  2.4 RPC 力学性能试验结果  29-36
    2.4.1 水胶比和硅灰掺量对 RPC 性能的影响  30-33
    2.4.2 纳米 SiO_2掺量对 RPC 性能的影响  33-36
  2.5 本章小结  36-38
第三章 RPC 细观模型和有限元程序介绍  38-45
  3.1 RPC 有限元细观模型概述  38-40
    3.1.1 细观模型的选择  38
    3.1.2 随机钢纤维模型  38-40
  3.2 有限元网格剖分  40-42
    3.2.1 单元选择  40-41
    3.2.2 网格剖分  41-42
  3.3 有限元分析  42-44
    3.3.1 细观单元的本构模型  42
    3.3.2 破坏准则  42-44
  3.4 本章小结  44-45
第四章 RPC 力学行为的数值模拟  45-63
  4.1 RPC 数值试验模型的生成  45-46
    4.1.1 试件形状及单元尺寸  45
    4.1.2 界面过渡区  45-46
  4.2 RPC 单轴受压破坏过程的计算机仿真模拟  46-55
    4.2.1 定义荷载  46-47
    4.2.2 破坏准则及材料参数的确定  47-48
    4.2.3 试件变形  48-49
    4.2.4 裂纹扩展分析  49-51
    4.2.5 单轴受压应力-应变关系  51-55
  4.3 RPC 单轴拉伸的计算机仿真模拟  55-61
    4.3.1 定义荷载  56
    4.3.2 破坏准则及材料参数的确定  56
    4.3.3 试件变形  56-57
    4.3.4 裂纹扩展分析  57-59
    4.3.5 单轴受拉应力-应变关系  59-61
  4.4 本章小结  61-63
第五章结论与展望  63-65
  5.1 结论  63-64
  5.2 展望  64-65
参考文献  65-69
致谢  69-70
作者简介  70

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