混杂纤维混凝土二维随机建模方法研究

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纤维混凝土在实际工程中的应用日益广泛。满足一定掺量比例的混杂纤维混凝土能充分发挥各相间的协同效应,更有效地改善纤维混凝土的强度与韧性。目前有关混杂纤维混凝土增强增韧机理与破坏机制的研究大多建立在宏观试验的基础上,但该研究方法难以反映实际材料的多相性和非均匀性。而混杂纤维混凝土细观力学数值模拟能捕捉材料内部的非均匀性和随机性,利于规避宏观试验研究中人为及环境等因素的影响,是研究该复合材料的一种有效方法。因此,建立一个能最大程度上反映混杂纤维混凝土真实细观结构的数值计算模型,同时顾及现有计算机和通用有限元软件的计算能力,是混杂纤维混凝土细观力学数值模拟中的一项重要课题。本文从细观尺度出发,一方面,通过计算机随机生成方法获得了混凝土几何模型及混杂纤维混凝土几何模型。另一方面,利用数字图像处理技术获得了真实素混凝土几何模型及真实钢纤维混凝土几何模型。最后,在两者基础上建立了二维纤维混凝土有限元模型。论文主要完成了5个方面的内容:1)总结并改进了传统的二维混凝土骨料生成算法,实现了二维全级配圆形、椭圆形及凸多边形混凝土骨料的随机生成与投放。2)提出钢纤维与三种骨料的相交判断算法及聚丙烯纤维与三种骨料的相交判断算法,实现了二维钢纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土和钢纤维-聚丙烯混杂纤维混凝土的随机生成与投放。3)利用计算机随机生成算法编制了界面友好的交互式混凝土/纤维混凝土二维随机生成程序。4)利用数字图像处理技术获得了真实素混凝土和真实钢纤维混凝土断面图上骨料、钢纤维及孔洞的几何信息。5)在上述两种几何模型(由计算机随机生成的几何模型和利用数字图像处理技术得到的几何模型)的基础上,初步开展了二维纤维混凝土有限元网格划分。本项研究提出的二维混杂纤维混凝土数值建模方法,为开展混杂纤维混凝土细观力学数值模拟并探寻混杂纤维混凝土细观结构与宏观物理力学性能间的联系奠定了重要的理论基础。
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