[发明专利]超高性能混凝土断裂过程的近场动力学模拟方法

说明书

本发明公开了一种超高性能混凝土断裂过程的近场动力学模拟方法，用于分析UHPC结构的断裂过程和裂缝扩展形态，具体包括以下几个相互联系的部分：S1）UHPC结构半离散模型的建立，S2）物质点运动方程的建立，S3）纤维外力计算与分配，S4）运动方程求解和UHPC基体损伤计算。根据损伤值可以对UHPC结构断裂过程进行分析。本发明可以预测UHPC的裂后承载能力，同时无需预设裂缝扩展路径，可以实现UHPC结构裂缝的自由扩展，具有重要的工程价值。

技术领域

本发明属于混凝土材料数值模拟领域，具体涉及到一种超高性能混凝土断裂过程的近场动力学模拟方法。

背景技术

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，UHPC)作为一种新型的水泥基复合材料，它具备突出的力学性能、优异的耐久性和良好的工作性能。近年来，UHPC在道路、桥梁及海洋结构中的应用越来越广泛。事实上，UHPC结构在外荷载作用下，其内部的缺陷和微裂缝发展成宏观裂缝，最终使结构断裂破坏，因而预测UHPC结构的断裂过程成为一个问题。

目前UHPC断裂过程的数值模拟方法大多基于有限元方法，该方法在分析不连续问题时，需要裂缝萌生和扩展的外部失效准则，增加了程序的复杂性和计算成本。此外，目前的方法需根据经验预设裂缝扩展路径，由于外部荷载的不确定性以及材料内部的非均匀性，预设的裂缝扩展路径不一定准确，另一方面，纤维的存在会导致多裂缝同时扩展，人为预设裂缝扩展路径无法体现纤维的随机影响。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明基于近场动力学理论，采用半离散模型UHPC材料进行模拟，提供一种超高性能混凝土断裂过程的近场动力学模拟方法，提高了计算效率的同时，无需预先指定裂纹扩展路径，可实现UHPC结构裂缝的自由扩展。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种超高性能混凝土断裂过程的近场动力学模拟方法，包括以下步骤：

S1：UHPC结构半离散模型的建立；

S2：根据步骤S1建立的UHPC结构半离散模型，建立UHPC基体物质点的运动方程；

S3：根据纤维力与纤维拔出位移的关系计算纤维外力；

S4：对步骤S2得到的UHPC基体物质点的运动方程进行求解和UHPC基体损伤计算。

进一步的，所述步骤S1具体为：

S11：确定UHPC试件的尺寸，根据离散间距对试件进行均匀离散，并储存UHPC基体物质点的坐标；

S12：计算纤维的投放数量，生成随机纤维的中点和角度参数，并根据纤维长度计算纤维的两个端点坐标；

S13：遍历所有纤维，根据纤维影响范围确定与纤维会产生作用的UHPC基体物质点坐标，并储存进相应的数组。

进一步的，所述步骤S2具体为：

S21：根据常规态基近场动力学理论公式计算物质点对之间的相互作用；

S22：对近场域内的物质点对之间的作用力进行数值积分，得到物质点所受的内力；

S23：物质点所受的外力密度设为b，根据牛顿第二定律，建立UHPC基体物质点的运动方程：

式中，ρ为物质点密度，ü为物质点的加速度，T为物质点对之间的内力作用，V为物质点的体积，H为积分区域，μ(t,ξ)为加载标量函数。

进一步的，所述步骤S3具体为：

S31：根据单纤维拉拔的细观力学模型，建立纤维力与纤维拔出位移的关系；