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三级配（全级配）混凝土骨料形状数值模拟及其应用

作　者: 孙立国
导　师: 杜成斌
学　校: 河海大学
专　业: 固体力学
关键词: 骨料形状三级配混凝土全级配混凝土数值模拟随机骨料模型细观失效凸多面体
分类号: TU528.041
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

本文在细观层次上把混凝土看作是由粗骨料、水泥砂浆基体和二者之间的界面所组成的三相非均值复合材料,具体针对数值混凝土的关键问题一骨料形状模拟进行了研究,研制了二维、三维任意形状骨料生成的软件。并对大型商业有限元软件MSC.MARC进行二次开发,进行混凝土破坏过程的数值模拟。论文的工作具体可分为以下几个部分:1. 针对大坝等全级配或三级配混凝土骨料含量比较高(0. 60～0. 70) 的特点,研制出一种新的二维任意形状骨料生成软件2D-RAS(TWO DIMENSIONAL RANDOMAGGREGATE SOFTWARE)。主要特点为通过一次性随机投放形成同种骨料的所有三角形基骨料,然后在此基础上随机延凸,生成二维任意形状的随机骨料。2. 采用大型通用有限元软件MARC对东江拱坝三级配混凝土试件的单轴受拉破坏过程进行了数值模拟,比较了骨料形状(多边形、圆形)对混凝土力学性能及破坏的影响。3. 用二维任意形状骨料生成软件2D-RAS和圆形骨料生成程序,在计算机上随机生成了6组具有相同含量和配比的任意多边形骨料和圆形骨料的混凝土随机骨料模型。比较两种类型三点弯曲数值试件的模拟结果,得到了一些重要的结论。4. 建立了以体积为标度的凸型多面体骨料侵入判别准则,并以体积为研究对象建立了凸型骨料的生长模式和骨料“凸性”条件,研制出了三维任意形状骨料生成软件3D-RAS(THREE DIMENSIONAL RANDOM AGGREGATE SOFTWARE)。三维混凝土随机骨料投放算法是二维投放算法的延伸,除了具有二维算法的一切优点外,还考虑了骨料粒径的变化,假定骨料粒径服从正态分布,从而使该软件生成的随机骨料模型和实际结构更为接近。5. 用三维任意形状骨料生成软件3D-RAS,建立三级配混凝土任意多面体三维随机骨料模型,采用投影法将有限元网格投影到已生成的随机骨料模型结构上,自动地识别砂浆单元、骨料单元和界面单元。并对空间的三级配混凝土简支梁的静力学性能进行了初步研究,与球形骨料计算结果进行了比较,得到了一些有价值的初步结论。

全文目录

第一章绪论  8-18
  1． 1 本文的研究背景与意义  8-9
  1． 2 混凝土结构模型和断裂研究  9-16
    1． 2． 1 混凝土的宏观断裂模型  9-10
    1． 2． 2 混凝土的细观断裂模型  10-15
    1． 2． 3 水泥砂浆的微观断裂模型  15-16
  1． 3 损伤力学基础  16-17
  1． 4 本论文所研究的内容  17-18
第二章二维混凝土随机骨料模型  18-26
  2． 1 随机骨料模型的建立  18
  2． 2 蒙特卡罗方法简介  18-20
    2． 2． 1 随机数及其产生  19-20
    2． 2． 2 改善系统提供的随机数发生器  20
  2． 3 多边形的生成算法  20-23
    2． 3． 1 生成随机三角形基骨料  20-21
    2． 3． 2 多边形延伸条件和延伸方式  21-22
    2． 3． 3 多边形侵入判别准则  22-23
    2． 3． 4 “凸性”限定条件  23
  2． 4 界面层的生成  23-24
  2． 5 随机骨料投放算法流程图  24
  2． 6 基于任意多边形的随机骨料模型  24-25
  2． 7 本章小结  25-26
第三章东江拱坝单轴受拉试件的数值模拟  26-37
  3． 1 有限元基本原理  26-28
  3． 2 数值模拟所采用的非线性有限元分析方法  28-29
  3． 3 混凝土骨料含量的空间和平面换算  29-31
  3． 4 东江拱坝单轴受拉试件的数值模拟  31-36
    3． 4． 1 二维平面上骨料含量的计算  31-32
    3． 4． 2 计算简图和有限元网格剖分  32-34
    3． 4． 3 计算分析  34-36
  3． 5 本章小结  36-37
第四章二维不同形状骨料数值模拟分析  37-51
  4． 1 弧长法基本理论  37-38
  4． 2 单个不同形状骨料的单轴受拉分析  38-41
  4． 3 多个不同形状骨料梁的弯拉分析  41-50
    4． 3． 1 试件基本情况  41-42
    4． 3． 2 计算结果分析  42-50
  4． 4 本章小结  50-51
第五章混凝土空间骨料任意形状的模拟  51-61
  5． 1 三维混凝土随机骨料粒径的选取  51-52
  5． 2 对随机产生的骨料粒径排序  52-53
  5． 3 随机生成四面体、六面体基骨料  53
  5． 4 多面体延伸条件和延伸方式  53-54
  5． 5 “凸性”限定条件  54
  5． 6 多边形侵入判别准则  54-56
    5． 6． 1 体积和测试法  54-55
    5． 6． 2 颗粒相交的检查  55-56
  5． 7 三维随机骨料投放程序流程图  56-58
  5． 8 骨料生成图  58-60
  5． 9 本章小结  60-61
第六章三维不同形状骨料数值模拟分析  61-70
  6． 1 三维混凝土随机骨料含量的计算  61-62
  6． 2 三维混凝土有限元网格  62-64
  6． 3 不同形状骨料数值模拟成果分析比较  64-69
    6． 3． 1 任意多面体数值模拟成果  64-67
    6． 3． 2 不同形状骨料试件计算结果比较  67-69
  6． 4 本章小结  69-70
第七章总结与展望  70-72
参考文献  72-76
致谢  76

三级配（全级配）混凝土骨料形状数值模拟及其应用

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