脆性材料动态力学行为的离散元分析

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通过颗粒流软件PFC2D,采用离散元的方法模拟了脆性材料在受外力作用下的动态力学行为。主要研究了混凝土以及无机玻璃的动态力学行为,并以混凝土为主。使用离散元软件PFC2D对二维混凝土模型进行了构建,并通过单轴压缩,劈裂拉伸,三点弯曲,切口梁三点弯曲等模拟实验,标定了混凝土内部的细观参数。并且在此模型基础上:1.模拟再现了混凝土巴西劈裂实验,通过模拟表明:1)力链分布在混凝土中部竖直方向上最为集中,向两侧逐渐减少。宏观裂纹首先在骨料与砂浆接触粘结面处产生,且沿加载线向上下两侧扩展,在高速扩展过程中伴随着高应变能的释放,裂纹将骨料拉裂,但裂纹主要还是沿着骨料与砂浆粘结面,以及砂浆间扩展。2)混凝土劈裂抗拉强度表现出明显的应变率效应,随应变率的增加而增大。3)进一步建立SHPB系统,对混凝土进行加载发现在低应变率下,混凝土能够很好的满足中心起裂现象,临界应变率在8s-1左右,而在高应变率时则不会出现,系由于更高应变率时,短时间混凝土内部无法达到应力均匀,而是先在混凝土两侧产生应力集中,达到抗压极限,从而产生该类现象。2.模拟了光圆钢筋拔出混凝土实验,通过模拟表明:1)钢筋拔出过程中混凝土内部接触力会有一个明显的锥度。2)研究应变率对拔出过程粘结强度的影响,发现强度滑移曲线呈现出多段式,且其强度随应变率的增大而增大,峰值随应变率增大而后移,并与实验做了对比。3)在不同应变率下,混凝土呈不同的破坏形式,主要有直接拔出与劈裂破坏两种,且裂纹扩展主要沿砂浆与骨料界面传播,低应变率下并不会穿透骨料,而高应变率时随着裂纹的扩展会将骨料拉裂。3.模拟了落锤冲击混凝土梁实验,研究了其在不同速度撞击下的破坏模式,并与实验做了对比。通过模拟表明,混凝土梁不同的失效模式,系由于压头冲击力以及变形所产生的拉力相互作用的结果。作为脆性材料,后期在研究混凝土动态力学行为的基础上,通过对同为脆性材料的无机玻璃动态力学行为进行了研究。4.利用离散元软件PFC2D(Particle Flow Code)建立了分离式霍普金森压杆(SHPB)系统,模拟了无机玻璃圆柱和圆盘试件在冲击压缩下的动态力学行为和失效破坏模式。结果表明:无机玻璃作为典型的脆性材料,其抗压强度具有明显的应变率效应,而杨氏模量则对应变率不敏感;无机玻璃圆柱的破坏过程受纵向压力、端面摩擦力以及横向惯性力的影响,初期微裂纹呈三角状分布,随着纵向应力水平的提高,出现明显的泊松效应,产生横向张应力,致使微裂纹沿纵向扩展,最终试件发生沿轴向的劈裂断裂;摩擦系数和泊松比对试件破坏模式及强度有一定影响。将建立的SHPB数值实验平台用于模拟无机玻璃巴西圆盘试验,揭示了圆盘发生中心开裂的拉伸特征及拉伸强度的应变率相关性。
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