[发明专利]一种基于格构模型的混凝土材料损伤演变过程的模拟方法

说明书

本发明涉及一种基于格构模型的混凝土材料损伤演变过程的模拟方法，首先建立混凝土材料细观格构模型，在数值模型中投放骨料并扩展ITZ层，完成格构模型各相单元材料特性的赋予；基于Timoshenko梁理论完成格构模型有限元方程的建立；采用Mazars损伤本构模型模拟混凝土材料力学性能的劣化；按位移加载的牛顿迭代法对格构模型进行计算求解，对混凝土材料的损伤演化过程进行仿真分析，在保证模拟有效性的同时能够大大提升计算效率。

技术领域

本发明涉及一种基于格构模型的混凝土材料损伤演变过程的模拟方法，属于混凝土材料数值模拟领域。

背景技术

作为土木工程领域中最常见的建筑材料，混凝土凭借其优良特性被广泛应用于民用建筑、桥梁、公路、隧道、人防工程以及水利工程等各种基础和民用工程建设当中。混凝土材料在浇筑过程中，由于水化反应放热导致温度升高，骨料的不规则性使混凝土材料在冷却成型之后内部就含有空隙、毛细孔等缺陷。在外部条件作用下，缺陷附近区域将出现应力集中，从而导致该区域损伤开始演化，微裂缝逐渐形成。在外荷载持续作用下，这些微裂纹将逐渐扩展、贯通直至最后形成宏观裂缝，最终导致混凝土构件失效破坏。因此，混凝土材料的失效破坏始于材料内部的损伤演化，研究该损伤演化过程有利于了解混凝土材料的失效破坏机理，对提高混凝土结构的强度具有重要意义。

目前针对混凝土材料损伤演化过程的数值模拟，多采用实体单元对混凝土试件进行数值建模，所建立的数值模型具有较多的自由度，因此具有较大的计算量，往往会导致计算效率偏低。

发明内容

本发明提供一种基于格构模型的混凝土材料损伤演变过程的模拟方法，模拟整个混凝土材料的损伤演化过程，提高了计算效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于格构模型的混凝土材料损伤演变过程的模拟方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：构建混凝土材料细观格构模型；

步骤S2：基于Timoshenko梁理论建立混凝土材料细观格构模型的有限元方程；

步骤S3：基于混凝土材料的特性，采用Mazars损伤本构模型模拟混凝土材料力学性能的劣化；

步骤S4：按位移加载的牛顿迭代法对混凝土材料细观格构模型进行计算求解，将计算结果经过处理对混凝土材料的损伤演化过程进行仿真分析；

作为本发明的进一步优选，步骤S1具体包括：

步骤S11：确定混凝土材料的尺寸，在待构建的混凝土材料细观格构模型边界上生成固定单元节点，在混凝土材料细观格构模型区域内随机生成单元节点，遍历所有单元节点，并按照由下至上、由左至右的顺序，将单元节点全部存储于节点信息矩阵内；

步骤S12：继续遍历所有单元节点，并按照由下至上、由左至右的顺序将所有单元节点依次相连，形成连接后的单元节点编号并存放在单元信息矩阵内，完成格构模型的几何搭建；

步骤S13：确定各级配骨料的粒径范围及个数，在混凝土材料细观格构模型区域内生成各骨料级配的随机骨料，沿着骨料边界向外等厚度拓展界面过渡层，将生成的骨料信息存入骨料信息矩阵中；

步骤S14：结合步骤S12中搭建的格构模型，将单元中点的位置对步骤S13中的骨料进行识别，对于不同相材料的单元赋予相应的材料参数，即若单元中点的位置位于骨料区域内，则将此单元判定为骨料单元，若单元中点的位置位于骨料边界与界面过渡层之间，则将此单元判定为界面过渡层，若单元中点的位置位于界面过渡层区域外，则将此单元判定为砂浆单元；

作为本发明的进一步优选，步骤S2具体包括：

步骤S21：构建的混凝土材料细观格构模型选用Timoshenko梁单元，并根据有限元理论推导出剪切刚度矩阵和弯曲刚度矩阵；