[发明专利]一种混凝土裂缝扩展仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种混凝土裂缝扩展仿真方法，属于计算机仿真技术领域。

背景技术

计算机仿真技术是利用计算机对系统的结构、功能和行为等进行动态性逼真模仿的技术，目前已广泛应用于各个工程技术领域。混凝土裂缝扩展仿真作为计算机仿真技术在混凝土断裂性能研究中的具体应用，对于建筑、桥梁、水利等的工程设计和施工具有重要意义。

现有混凝土裂缝扩展仿真方法大多采用非线性迭代的方法，其一般流程为：计算等效荷载列阵→组装等效刚度矩阵→求解控制方程→计算各积分点应变→计算各积分点名义应力→修正各积分点当前弹性模量、本构矩阵→计算各积分点当前实际应力→判定各积分点应力状态→判定开裂点→对所有开裂点进行状态标记、应力释放、弹模修正等→计算不平衡力→重复以上步骤直至满足收敛标准。该迭代流程在处理混凝土开裂问题时，通常设定超出抗拉强度的积分点/单元应力不分前后、均标记开裂、进行应力释放的计算策略，该计算策略与混凝土实际开裂情况不吻合，导致计算结果与实际情况误差较大，更无法精确估算裂缝出现的位置、裂缝间距以及裂缝宽度等，因此不适用于对裂缝分布规律以及开裂全过程的精细化数值模拟。此外，目前常用的混凝土开裂模型有分离裂缝模型或弥散裂缝模型，分离裂缝模型将裂缝设置在单元边界上，一旦出现裂缝就调整模型单元网格，该模型概念清晰，可实现混凝土结构裂缝分布位置、裂缝宽度以及裂缝开展全过程仿真模拟。但在实际使用时，裂缝模拟过程复杂繁琐、需要不断调整网格，对计算机技术的要求较高，因而受到了诸多限制。弥散裂缝模型设定当单元某一特征代表点的应力超过了混凝土材料的抗拉强度，就认为单元开裂，裂缝分布于整个单元内部，裂缝既连续、微小且是彼此平行的。由于出现裂缝后只需对材料本构矩阵加以调整，不需要增加节点和重新划分单元，易于有限元程序实现，但该模型将裂缝弥散至整个单元，同样无法精确模拟混凝土裂缝出现、扩展全过程，获取结构裂缝宽度。

针对目前混凝土裂缝扩展仿真方法中存在的不足，需采用一种改进、优化的混凝土裂缝扩展模拟方法，以期更精确、合理地进行混凝土开裂精细化数值仿真。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术对所有可能开裂积分点同时进行应力释放，从而导致的仿真结果与混凝土实际开裂情况误差较大的缺陷，提供一种混凝土裂缝扩展仿真方法，该方法对弥散裂缝模型进行了修正、完善，通过最可能开裂点的判定，进行开裂小迭代循环，确定混凝土裂缝出现、发展过程。该方法可精确反映混凝土裂缝出现、扩展全过程以及裂缝出现的精确范围。

本发明采用如下技术方案解决上述技术问题：

一种混凝土裂缝扩展仿真方法，包括根据各积分点应力状态判定可能开裂的积分点，并对可能开裂的积分点进行应力释放、刚度修正的过程；该过程按照以下步骤：

首先根据各积分点应力状态判定可能开裂的积分点；然后根据客户的关注要点从可能开裂的积分点中选择最可能开裂点；在保持其余积分点状态不变的同时，对最可能开裂点进行应力释放、刚度修正；进行位移、应力重分布，并再次判定最可能开裂点，直至没有新开裂点出现。

所述根据各积分点应力状态判定可能开裂的积分点是以各积分点的主拉应力、断裂能、损伤因子中的一种作为判定指标。本发明优选主拉应力作为判定指标，具体按照以下方法：

判断各积分点的主拉应力是否大于混凝土抗拉强度，如是，则判定该积分点为可能开裂的积分点。

所述选择最可能开裂的积分点可分别或综合参考主拉应力、断裂能、损伤变量以及材料强度等参数进行选择，本发明具体按照以下方法：

按照下式计算各可能开裂的积分点的开裂风险因子，并选择开裂风险因子的值最大的积分点为最可能开裂点，

式中，为积分点开裂风险因子；为积分点主拉应力，单位为MPa；为积分点抗拉强度，单位为Mpa。

本发明的混凝土裂缝扩展仿真方法对现有的弥散裂缝模型进行了修正、完善，通过开裂积分点顺序的判定以及开裂方向的计算，可精确反映混凝土裂缝出现、扩展全过程以及裂缝出现的精确范围，既保留了弥散裂缝模型不需要重新划分网格、计算简便的优点，又克服了弥散裂缝模型与实际开裂情况不符的缺点。

附图说明

图1为本发明的混凝土裂缝扩展仿真方法的流程图；

图2为本发明所采用的总体刚度矩阵局部修正方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：