脆性無序介質損傷破壞全過程的數(shù)值模擬.pdf

1、本文用梁—顆粒模型BPM(Bem-ParticleModel)對脆性無序介質的力學性質和破壞過程進行了數(shù)值模擬研究。梁—顆粒模型BPM是在離散單元法基礎上，結合有限單元法中的梁模型提出的。梁—顆粒模型中，材料在細觀層次上被離散成顆粒單元集合體，相鄰顆粒單元由有限單元法中的彈脆性梁單元連接。根據所模擬材料的性質，在模型中不同位置處生成兩種不同性質的顆粒單元。由梁單元所連接的顆粒單元的性質，可以將梁單元分為三種類型：增強梁單元、連接梁單元和

2、界面梁單元。梁單元類型不同，其性質(彈性模量、強度等)也不同。如增強梁單元的強度最大，連接梁單元的強度最小。在模型中，三種類型梁單元隨機分布以模擬脆性無序介質力學參數(shù)的空間變異性。梁單元的力學性質根據Weibull分布隨機賦值以在細觀層次上反映脆性無序介質的非均勻性。介質中的裂縫可通過斷開梁單元模擬。 根據混凝土試件單軸拉伸、三點彎曲和單軸壓縮的物理模型和相關文獻中的試驗條件，用二維梁—顆粒模型BPM2D(Beam-Partic

3、leModelinTwoDimensions)模擬了在單軸拉伸、三點彎曲和單軸壓縮條件下混凝土內部微裂紋的萌生、擴展直至試件宏觀破壞的全過程。數(shù)值模擬結果給出了在單軸拉伸和單軸壓縮條件下混凝土數(shù)值試件應力—應變曲線，以及三點彎曲條件下混凝土數(shù)值試件載荷—撓度曲線，并對混凝土試件在上述三種載荷條件下的破壞過程和最大應力分布情況進行了圖形顯示。數(shù)值模擬結果表明，混凝土應力—應變全曲線形狀與試件中裂紋發(fā)展過程密切相關。在外載荷作用下混凝土破壞

4、過程實質上是微裂紋萌生、擴展、貫通以至宏觀裂縫產生導致混凝土失穩(wěn)斷裂或崩潰的過程，這個過程可以在應力—應變(或載荷—撓度)全曲線上宏觀地反映出來。在拉伸和三點彎曲條件下混凝土裂紋尖端的拉應力集中是裂紋擴展的動力?；炷敛牧霞氂^力學性質分布的無序性是造成裂紋擴展路徑曲折以及材料宏觀應力—應變曲線非線性的重要原因。 梁—顆粒模型中引入與應變率相關的破壞準則，并將其成功應用于混凝土動態(tài)破壞問題數(shù)值模擬研究。對具有不同初始沖擊速度動能彈

5、侵徹和貫穿條件下混凝土靶板動態(tài)破壞過程進行了數(shù)值模擬，討論了動能彈不同頭部形狀對侵徹和貫穿過程的影響，并對混凝土內部裂紋萌生和擴展、應力波傳播以及速度場變化過程進行了圖形顯示。數(shù)值模擬結果表明，混凝·Ⅱ·土動態(tài)破壞形式與彈體沖擊速度密切相關。 在二維梁—顆粒模型的基礎上建立了三維梁—顆粒數(shù)值模型，并開發(fā)了三維計算機程序BPM3D(Beam-ParticleModelinThreeDimensions)。用三維梁—顆粒離散元模型對

6、脆性無序介質斷裂強度的尺寸效應進行了數(shù)值模擬研究，數(shù)值模擬結果與Bazant提出的脆性介質尺寸效應律吻合良好。數(shù)值模擬結果表明，脆性無序介質細觀力學性質分布的無序性是造成宏觀應力—應變曲線非線性的根本原因，其宏觀力學行為與其細觀結構之間有緊密聯(lián)系。 參照相關文獻中巖石試件單軸拉伸和單軸壓縮試驗條件，用三維梁—顆粒離散元模型BPM3D模擬了巖石單軸拉伸和單軸壓縮試件微裂紋的萌生、擴展直至試件宏觀破壞的全過程。數(shù)值模擬結果給出了巖石

7、數(shù)值試件單軸拉伸和單軸壓縮應力—應變全曲線，并對巖石數(shù)值試件裂紋萌生、連接、擴展過程進行了圖形顯示。通過對數(shù)值模擬結果的分析，揭示出巖石應力—應變全曲線形狀與試件中裂紋發(fā)展過程密切相關，在外載荷作用下巖石破壞過程實質上是微裂紋萌生、擴展、貫通以至宏觀裂縫產生導致巖石失穩(wěn)斷裂或崩潰的過程。 數(shù)值模擬結果與試驗結果的對比分析顯示，二者表現(xiàn)出良好的一致性，從而表明梁—顆粒模型不僅可以精確模擬混凝土、巖石等脆性無序介質準靜態(tài)破壞過程，而