混凝土是一种用途广泛的建筑材料,主要由骨料和砂浆两部分组成,作为典型的非均匀性材料,混凝土的宏观力学性能与其细观结构有关。对混凝土在细观层面力学性能的数值研究可以揭示许多物理实验无法观察到的现象,并解释其失效机理。作用在混凝土结构上的荷载一般是基本保持恒定的荷载,但是在特殊情况下,也会有动态荷载作用在混凝土结构上,如地震、冲击和爆炸等。在这些情况下,混凝土的动态性能对混凝土的破坏过程起着非常重要的作用。在动荷载作用下,混凝土的强度和变形与静载荷下混凝土的强度和变形明显不同。因此,对混凝土结构进行动态荷载作用下的细观力学性能研究是很有必要的。随着计算机技术的发展,越来越多的科研人员开始从细观角度对混凝土力学性能进行研究。本文建立了混凝土二维和三维Voronoi随机骨料模型,从细观角度对混凝土试件的动态单轴压缩和劈裂抗拉进行了有限元模拟,具体研究内容及结论如下:(1)Voronoi图形形状与混凝土骨料形状相似,都为不规则形状,因此用Voronoi图形来表示混凝土试件中的骨料。通过MATLAB编写APDL程序、ANSYS生成混凝土初始模型、LS-DYNA划分网格并进行有限元计算,对混凝土动态单轴压缩试验、动态劈裂抗拉试验进行了数值分析。(2)在动态压缩试验中,对相同骨料体积分数、不同骨料分布的混凝土试件进行分析,发现不同试件虽然裂缝形式不同,但动态压缩强度相差很小;对不同骨料体积分数的混凝土试件进行分析,结果表明,随着混凝土试件中骨料体积分数的增加,试件的动态压缩强度大幅度提高;对试件在1、0.1、0.01、0.001应变率下裂缝模式和力学性能进行分析,结果表明,当试件应变率为0.001时,试件内部产生少量的裂缝。随着应变率的增大,试件内部的裂缝数量明显增加,并弥散在整个混凝土试件中。随着试件应变率的增大,试件抗压强度也逐渐增大,显示出了明显的率效应。(3)在动态劈裂试验中,对素混凝土和单骨料混凝土的裂缝形式进行分析,数值模拟结果表明素混凝土模型的裂缝沿y轴产生,在单骨料模型中,由于骨料体不会破坏,所以裂缝会绕开骨料继续向试件下部传递,骨料体的尺寸和形状都对混凝土裂缝模式有影响;对试件在1、0.1、0.01、0.001应变率下裂缝模式和力学性能进行分析,计算结果表明,当试件应变率较低时,混凝土在垂直于加载方向上发生劈裂拉伸破坏,其微裂缝主要沿着骨料、砂浆交界面或砂浆内部薄弱环节产生和扩展,最后形成一条平行于加载方式的主干式贯穿性裂缝。当试件应变率较高时,微裂缝不仅沿着垂直的y轴向下延伸,而且在y轴两侧产生一些分叉。同时,随着试件应变率的增大,试件抗拉强度也逐渐增大,显示出了明显的率效应。