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数字混凝土CT建立方法及其在干缩微裂纹模拟中的应用

作　者: 李曙光
导　师: 李庆斌
学　校: 清华大学
专　业: 水利工程
关键词: 混凝土干缩微裂纹模拟 CT图像重建过渡区网格等效断裂能准则
分类号: TU528
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

混凝土的干缩微裂纹对其物理和力学特性等都有重要的影响。研究微裂纹对混凝土宏观性能影响的前提是获得裂纹的真实结构特征。受观测手段的限制,目前只能观察混凝土断面的二维微裂纹形态。现有的干缩开裂模拟研究都局限在二维情况,且由于所建立的混凝土细观结构与实际不符、所用的隐式解法收敛性差等不足,干缩开裂模拟结果与试验结果不吻合,难以推广到三维模拟。为得到真实混凝土试件内部的三维干缩微裂纹分布,本文从数字混凝土的建立、裂纹模型的改进、有限元求解算法的选用等方面展开了研究,最终建立了基于改进弥散裂纹模型的混凝土干缩开裂的显式模拟方法,实现了混凝土三维干缩微裂纹分布的模拟。论文的主要内容和成果包括以下几个方面:1.基于混凝土CT图像,采用面绘制原理,重建得到了真实混凝土试件内部的砂浆骨料两相结构;2.提出“骨料膨胀法”用以划分过渡区网格并开发了相应程序,完成了三维三相数字混凝土的建立;所划分的过渡区单元厚度接近实际尺寸,且形状和数量满足后续的有限元计算要求;3.采用引入“等效断裂能”准则的改进弥散裂纹模型,结合ABAQUS的脆性开裂材料模型和显式分析模块,建立了模拟混凝土干缩开裂的显式算法;干缩微裂纹的二维模拟结果与试验结果吻合,显示了算法的可信性。干缩开裂模拟结果表明,本文采用的改进弥散裂纹模型能较好地模拟砂浆、过渡区等材料在干缩开裂过程中的破坏行为;参数敏感性分析结果表明砂浆和过渡区断裂能对干缩微裂纹形态有重要影响;4.模拟得到了真实混凝土试件内部的三维干缩微裂纹分布;模拟结果显示,随着干燥时间的增加,混凝土的干燥损伤度逐渐增大;该趋势与对比试验结果吻合,且数值接近,表明了模拟所得的三维干缩微裂纹结构的可信性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-25
  1.1 课题背景及意义  10-11
  1.2 混凝土干缩微裂纹观察方法  11-15
  1.3 混凝土细观力学研究现状  15-21
    1.3.1 数字混凝土的建立方法  16-18
    1.3.2 混凝土的非线性断裂模型  18-20
    1.3.3 有限元的隐式解法与显式解法  20-21
  1.4 混凝土细观干缩开裂模拟研究现状  21-24
  1.5 论文的主要工作与创新点  24-25
    1.5.1 论文的主要工作  24
    1.5.2 论文的主要创新点  24-25
第2章基于CT 图像的数字混凝土的建立  25-44
  2.1 CT 图像重建原理  26-27
  2.2 混凝土CT 图像重建的实现  27-34
    2.2.1 混凝土CT 图像的获取  27-28
    2.2.2 基于MIMICS 的混凝土CT 图像的重建和建模  28-34
  2.3 过渡区网格的划分方法--“骨料膨胀法”  34-41
    2.3.1 过渡区网格划分的必要性  34-35
    2.3.2 “骨料膨胀法”原理及实施  35-38
    2.3.3 混凝土三相结构弹模的计算  38-41
  2.4 混凝土试件C18 三维三相细观结构的建立  41-42
  2.5 本章小结  42-44
第3章混凝土干缩微裂纹的显式模拟方法及验证  44-85
  3.1 细观层次混凝土干缩应力的计算  44-50
    3.1.1 二维数字混凝土的建立  44-45
    3.1.2 湿度扩散的原理及“等效”模拟计算  45-49
    3.1.3 细观层次干缩应力的计算  49-50
  3.2 干缩开裂模拟的显式算法  50-58
    3.2.1 脆性开裂材料模型  51-54
    3.2.2 “等效断裂能”破坏准则  54-55
    3.2.3 计算假定及模型参数  55-58
  3.3 二维干缩开裂验证试验  58-62
    3.3.1 圆盘形试件的制备  58-59
    3.3.2 试件的干燥及微裂纹观测  59-62
  3.4 干缩开裂模拟与试验结果对比  62-78
    3.4.1 单骨料试件干缩微裂纹模拟及试验结果对比分析  62-70
    3.4.2 随机骨料试件干缩开裂模拟及试验结果对比  70-75
    3.4.3 多骨料试件干缩开裂模拟及试验结果对比  75-78
  3.5 参数敏感性分析  78-83
    3.5.1 时步的影响  78
    3.5.2 砂浆及过渡区断裂能的影响  78-80
    3.5.3 过渡区强度的影响  80-81
    3.5.4 骨料弹模的影响  81-82
    3.5.5 砂浆和过渡区干缩系数的影响  82-83
  3.6 本章小结  83-85
第4章混凝土三维干缩微裂纹的模拟及验证  85-105
  4.1 试件C18 三维干缩微裂纹模拟结果  85-93
    4.1.1 湿扩散模拟  85-86
    4.1.2 三维干缩微裂纹的分布及演化  86-91
    4.1.3 干缩微裂纹对混凝土弹模的影响  91-93
  4.2 混凝土干燥试验结果及分析  93-101
    4.2.1 混凝土干燥试验设计  93-96
    4.2.2 干燥对混凝土抗压强度的影响  96-99
    4.2.3 干燥对混凝土弹模的影响  99-101
  4.3 试验和模拟的干燥损伤度对比  101-102
  4.4 不同类型微裂纹对干燥损伤度的贡献对比  102-103
  4.5 本章小结  103-105
第5章结论与展望  105-107
  5.1 主要研究成果和结论  105-106
  5.2 研究展望  106-107
参考文献  107-116
致谢  116-117
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  117-118
附录A ITZgenerate 程序源码  118-123

数字混凝土CT建立方法及其在干缩微裂纹模拟中的应用

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