[发明专利]基于离散元的纤维混凝土抗裂性能三维细观仿真方法

说明书

本发明提出一种基于离散元的纤维混凝土抗裂性能三维细观仿真方法，所述方法包括：建立目标纤维混凝土采用的各级配粗骨料和纤维的实际三维模型；在目标空间内随机生成不同角度的纤维颗粒并进行骨料投放；以纤维、骨料、砂浆相互之间的粘结强度为输入，在目标纤维混凝土模型的颗粒间建立粘结接触关系，生成纤维混凝土试件；对纤维混凝土试件进行固结和加载，进行初始平衡状态分析；对纤维混凝土试件施加边界条件，通过三点弯曲试验加载外部荷载测量纤维混凝土断裂力学性能。本发明基于粗骨料和纤维的实际三维模型来建立离散元模型，建立粘结接触关系时，考虑了纤维对砂浆和骨料间界面过渡区强度的影响，得能更为准确地模拟纤维混凝土的抗裂性能。

技术领域

本发明属于混凝土抗裂性能仿真领域，具体涉及一种基于离散元的纤维混凝土抗裂性能三维细观仿真方法。

背景技术

断裂是混凝土的基本现象，在混凝土中掺入纤维能有效阻止混凝土的开裂，因此其被广泛应用于实际工程。在中尺度上，纤维混凝土可以被认为是一种复合材料，由五个重要部分组成：水泥基质、骨料、界面过渡区(ITZ)、宏观孔隙和所掺入纤维。骨料和ITZ的存在尤其重要，因为混凝土中骨料的体积分数可高达70-75％，而厚度约为50um的ITZ是普通混凝土中最薄弱的区域，初始裂纹往往在该位置产生。纤维的掺入影响了骨料和ITZ之间的粘结性能，不同材料和形状的纤维对其影响程度不同。因此，明确其物理特性并使用合适的断裂预测方法对于结构安全和材料性能优化具有重要意义。

混凝土力学性能受环境、材料、外加剂等多种因素影响。例如，聚丙烯纤维的使用降低了砂浆和骨料间的粘结性能，但也提高了砂浆的抗裂性能，从细观尺度上对其进行建模，需要明确受力过程中纤维的运动和应力状态，不合适的力学仿真方法会对其力学性能造成错误的估计。徐勋伟等在《纤维沥青混凝土车辙试验的随机有限元细观模型仿真》中应用ANSYS软件从细观角度模拟SMA－13纤维沥青混凝土车辙试验，生成不同纤维掺量下纤维随机分布模型，从材料设计角度研究纤维几何特征和掺量对沥青混凝土力学行为的影响，但并未全面考虑纤维对界面过渡区强度的影响。细观尺度的纤维混凝土的实际接触类型众多，在进行细观模拟时如果不对纤维的力学行为进行捕捉并考虑纤维对界面过渡区强度的影响，则分析结果与实测结果之间会产生较大误差。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于离散元的纤维混凝土抗裂性能三维细观仿真方法及系统，用于解决现有的纤维混凝土细观模拟未全面考虑纤维对界面过渡区强度的影响的问题。

本发明第一方面，公开了一种基于离散元的纤维混凝土抗裂性能三维细观仿真方法，所述方法包括：

建立目标纤维混凝土采用的各级配粗骨料和纤维的实际三维模型；

基于纤维的实际三维模型在目标空间内随机生成不同角度的纤维颗粒；

基于粗骨料的实际三维模型在目标空间内进行骨料投放，建立目标纤维混凝土模型；

以纤维、骨料、砂浆相互之间的粘结强度为输入，在目标纤维混凝土模型的颗粒间建立粘结接触关系，生成纤维混凝土试件；

在PFC3D软件中通过赋予墙体速度来对纤维混凝土试件进行固结和加载，进行初始平衡状态分析；

对纤维混凝土试件施加边界条件，通过三点弯曲试验加载外部荷载测量纤维混凝土断裂力学性能。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述基于纤维的实际三维模型在目标空间内随机生成不同角度的纤维颗粒具体包括：

建立目标纤维混凝土模型的目标空间；

设定目标纤维混凝土模型的相关参数，相关参数包括密度、有效模量、刚度比、摩擦系数和孔隙率；

基于目标纤维混凝土模型的相关参数和几何尺寸计算纤维含量，基于纤维含量、纤维的实际三维模型和组成纤维的颗粒尺寸在目标空间内随机生成不同角度的纤维颗粒。