混凝土_型裂缝扩展准则及裂缝扩展全过程的数值模拟
混凝土裂缝扩展规律及控制方法研究
混凝土裂缝扩展规律及控制方法研究一、研究背景及意义混凝土是建筑工程中常用的一种材料，其具有高强度、耐久性强、防火、耐热等优点，但在使用中也会出现裂缝问题，这不仅会影响建筑物的美观，还会影响其力学性能和使用寿命。
因此，混凝土裂缝扩展规律及控制方法的研究具有重要意义。
二、混凝土裂缝扩展规律混凝土裂缝扩展规律是指混凝土在受力作用下，裂缝发生及扩展的规律。
混凝土裂缝的发生和扩展是由于混凝土的强度不足以承受受力作用，从而导致混凝土的破坏。
混凝土裂缝的扩展与以下因素有关：1.荷载大小和荷载类型混凝土的承载能力与荷载大小和荷载类型有关。
当荷载大小超过混凝土的承载能力限度时，混凝土会发生破坏和裂缝。
不同类型的荷载对混凝土的承载能力影响也不同。
2.混凝土强度和韧性混凝土的强度和韧性对裂缝扩展有重要影响。
强度越高的混凝土，其裂缝扩展速度越慢，而韧性好的混凝土，其裂缝扩展速度则会相对较慢。
3.混凝土含水率和环境温度混凝土的含水率和环境温度也会影响裂缝的扩展。
含水率越高的混凝土，其裂缝扩展速度越快。
而在低温环境下，混凝土的韧性会降低，从而导致裂缝扩展速度加快。
4.混凝土中的缺陷和不均匀性混凝土中的缺陷和不均匀性也会影响裂缝的扩展。
混凝土中的缺陷和不均匀性越大，其裂缝扩展速度也越快。
三、混凝土裂缝的控制方法混凝土裂缝的控制方法主要包括以下几个方面：1.加强混凝土的强度和韧性加强混凝土的强度和韧性可以有效地控制混凝土的裂缝扩展速度。
加强混凝土的强度和韧性的方法包括增加混凝土的水泥用量、添加增强材料等。
2.减少混凝土中的缺陷和不均匀性减少混凝土中的缺陷和不均匀性可以有效地控制混凝土的裂缝扩展速度。
减少混凝土中的缺陷和不均匀性的方法包括加强混凝土的密实性、控制混凝土的施工质量等。
3.选择合适的荷载类型和荷载大小选择合适的荷载类型和荷载大小可以有效地控制混凝土的裂缝扩展速度。
在设计时应根据实际情况选择合适的荷载类型和荷载大小。
4.控制混凝土的含水率和环境温度控制混凝土的含水率和环境温度可以有效地控制混凝土的裂缝扩展速度。
蜗壳外围混凝土裂缝扩展的数值模拟
文章 编 号 ：０ ０９ ３ （０ ０ ０—０ ２０ １０ —８ ３ ２ １ ）３０ １—６
蜗壳 外 围混 凝 土裂缝 扩 展 的数值 模 拟
李 正 星 ， 震 马 岳
（ 连理 工 大 学 水 利 工 程 学 院 ， 宁 连 １６ ２ ） 大 辽 大 １０ ４
摘
要： 根据混凝土断裂力学理论 ， 在蜗壳外 围混凝土内部设置初始裂缝 ， 应用虚拟裂缝模型建立平面轴对称有限元模型 ， 编程计 算了直埋式蜗壳外围混凝土裂缝 的扩展过程。计算结果表明： 断裂力学理论 中的虚拟裂缝模型可 以很好地模拟蜗壳 内部
ｔｏ ｏ ｃ ｅ ｅ ｏ ｈ ｉｅ ｔｅ ｂ ｄ ｅ ｐ ｒ ｌｃ ｓ ｒ ａｃ ｌｔ ｄ ｂ ｒ ｇ ａ ｉ ｎ ｉ ｃ ｎ ｒ ｔ ｆｔ ｅ ｄ ｒ ｃ ｍ ｅ ｄ ｄ ｓ ｉ ａ ｅ ｗｅ ｅｃ ｌｕ ａ ｅ ｙ ｐ ｏ ｒ ｍ． Ｔｈ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗ ｈ ｔ ｔ ｅ ｎ ａ ｅ ｒ ｓ ｌｓ ｓ ｏ ｔ ａ ｈ
裂缝 的整 个 断 裂扩 展 过 程 ， 到单 ～ 裂 缝 的 内水 压 力一 缝 Ｅ张 口位 移 （ 得 裂 ｌ 裂缝 １宽 度 ） ２ １ 曲线 ； 过 引 入 断 裂角 的概 念 ， 到 蜗 通 得
壳裂缝扩展的准确路径 ， 直埋式蜗壳子午断面内裂缝扩展 的主要方向为通过蜗壳 中心的径向。 关键词 ： 裂缝扩展 ； 直埋式蜗壳 ； 断裂力学 ； 虚拟裂缝模 型； 数值分析
第 ３ 第 ３期 ７卷
２１ ０
水
专
学
报
Ｖｏ ． ７ Ｎｏ ３ １３ ， ．
Ｓｅ ．， ０１ ｐ ２ ０
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ｉ ｎ ｊ ｎ ｄ ａ ｌ ｎ ｉｅｒ ｇ ｒａ ｏ ｌ ｇｉ ｇ Ｈｙ ｒｕｉ Ｅ ｇｎ ｅｉ ｏ Ｈｅ ｏ ａ ｃ ｎ
混凝土破坏过程的数值模拟
胞模型 、镶嵌裂纹模型等[1～8 ] ·连续介质理论模 型在假设混凝土为均匀材料的基础上对其非线性 予以均匀化的描述 ,但不能描述细观非均匀性对 于材料损伤及破坏局部化的影响·一些细观模型 如梁单元模型的模拟以细观拉损伤为主要破坏机 制的混凝土宏观破坏 (单轴拉伸 、三点弯曲等) ,得 到了与实验结果较为一致的结论·但模拟混凝土 的单轴压缩时的破坏过程 ,得到的结果与实验结 果偏差较大·
义[1 ]
f ( u)
=m u0
u u0
m- 1
exp
-
um
u0
,
(1)
式中 , u 代表满足该分布参数 (例如强度 、杨氏模 量 、剪切模量等) 的数值 ; u0 是一个与所有单元参 数平 均 值 有 关 的 参 数; 形 状 参 数 m 定 义 了 Weibull 分布密度函数的形状·
在本次数值分析中 , 2 种颗粒单元和 3 种不 同性质梁单元随机分布形成非均匀数值试样 , 颗 粒单元和梁单元力学性质的平均值见表 1·
混凝土受压破坏过程数值模拟在单轴受压状态下2种颗粒单元和单元力学参数均按weibuii分布密度函数取值数值试验结果显示随着混凝土材料细观力学性质分布的均匀性不同其破坏形态有很大差异weibuii分布函数的形状参数种梁单元的力学参数较为均匀试件破坏形态与主要破坏过程的数值模拟结果如图结果表明当混凝土细观力学性质较为均匀时表示混凝土材料内部缺陷很少在压应力作用下材料内部产生的裂纹很少在靠近两侧的无约束边缘处首先出现裂纹这是由于试件在压应力作用下向两侧膨胀从而在两侧产生拉应力导致裂纹出现随着压应力的不断增大裂纹逐渐向混凝土材料内部扩展直到试件破坏weibuii分布函数的形状参数料力学性质离散大即试件混凝土的细观力学性质很不均匀试件破坏形态与主要破坏过程的数值模拟结果如图3所示此时混凝土材料内部缺陷如微裂纹增多尤其在骨料和砂浆的界面上缺陷较多裂纹首先从界面产生裂纹尖端绕过骨料并随压应力增大逐渐向砂浆扩展最后贯通导致混凝土破坏这个结果说明混凝土材料力学性质的弱化是由于内部结构在受力后不断损伤导致裂纹产生而引起的混凝土材料力学性质在细观层次上的非均匀性是不可忽略的东北大学学报自然科学版第25crackhistorycubicspecimendifferentstagescrackhistorycubicspecimendifferentstages中计算结果给出的图形颜色灰度反应了梁单元强度的大小颜色越接近黑色表示该处强度越低当梁单元受力包括轴力弯矩和剪力达到其极限强度时该梁单元断裂试件中已形成裂纹在图中显示的颜色为黑色数值模拟可以跟踪混凝土试件内部裂纹萌生扩展贯通导致混凝土破坏的全过程数值模拟结果表明混凝土材料破坏是其内部潜在的各种缺陷引起的其破坏过程就是裂纹的萌生扩展以及裂纹间的贯通最终形成宏观裂缝导致混凝土失稳破裂的过程混凝土的破坏是由于材料中潜在的各种缺陷引起的而材料性质细观非均匀性和缺陷分布的随机性是造成混凝土材料内部裂纹产生以及材料宏观应力应变曲线非线性的根本原因混凝土材料的破坏过程实际上就是内部裂纹萌生扩展贯通直到产生宏观裂纹导致混凝土失稳破裂的过程1梁颗粒模型bpm可以对内部裂纹萌生扩展贯通导致混凝土破坏的全过程进行较好的数值模拟2混凝土破坏过程就是微裂纹萌生扩展贯通直到宏观裂纹产生导致混凝土失稳破裂的过程数值模拟结果显示随着混凝土细观力学性质分布的均匀性不同混凝土试件破坏形态产生较大变化混凝土试件的宏观力学
基于虚拟裂缝模型的混凝土裂缝扩展模拟方法
202019 年 第 6 期采用分离裂缝模型模拟混凝土裂缝扩展时，有限元网格需要不断地调整和再生成，这将导致新的节点拓扑的产生。
为此，本文探讨了基于虚拟裂缝模型的混凝土裂缝扩展模拟方法，通过非线性弹簧模拟虚拟裂缝的黏聚力，旨在避免裂缝扩展过程中有限元网格的不断剖分，提高计算效率和精度。
三点弯曲梁算例结果表明，本文所探讨的方法是合理和有效的。
自20世纪60年代以来，国内外学者在计算机模拟裂缝扩展方面做了很多工作，采用了[1]很多新方法。
有限元法作为强大的分析工具已经得到学术界的广泛认同。
断裂力学中的虚拟裂缝模型对裂缝扩展模拟采用分离网格节点来实现，在裂缝扩展过程中需对单元网格进行不断剖分，这将导致新的节点拓扑的产生，在计算效率和计算精度上都存在一定的缺陷。
本文在分析混凝土断裂过程区材料的软化特性基础上，运用非线性断裂力学模型描述其本构关系，探讨基于虚拟裂缝模型的裂缝自动扩展模拟方法，旨在避免裂缝扩展过程中有限元网格的不断剖分，提高计算效率和精度。
1 虚拟裂缝模型在混凝土宏观裂缝前端存在一个微裂缝区，随着荷载的增加在自由裂缝和微裂缝之间存在裂缝的亚临界扩展。
裂缝的亚临界扩展和微裂缝区合称为断裂过程区。
断裂过程区的存在减小了材料刚度，削弱了材料本身应力传递能力，这种现象就是混凝土的软化特性。
虚拟裂缝模型把裂缝分解为两部分：真实物理裂缝和虚拟裂缝。
前者表征宏观自由裂缝，裂缝面上不传递任何应力，而后者将带状裂缝区简化为一条分离裂缝，即虚拟裂缝。
虚拟裂缝面上可以传递应力，其上某点应力的大小与该点裂缝面的张开位移 之间存在确定的关系。
虚拟裂缝模型通过非线性断裂过程区在混凝土类准脆性材料的断裂分析中引入了基于应变软化机理的非线性本构模型，合理有效地对裂缝由微裂纹向宏观裂缝发展进行了描述，并且虚拟裂缝还表征了由于裂缝张开而出现的非线性连续位移。
裂缝张开位移与拉应力的软化关系是虚拟裂缝的核心内容。
为了数值计算的方便，一般将软化曲线简化成图1示的单直线模型或双直线[2]模型。
基于ABAQUS纤维梁单元的钢筋混凝土柱受力破坏全过程数值模拟
基于ABAQUS纤维梁单元的钢筋混凝土柱受力破坏全过程数值模拟一、本文概述随着计算机技术的飞速发展和数值计算方法的不断完善，数值模拟已成为工程领域中研究和解决实际问题的重要手段。
ABAQUS作为一款功能强大的有限元分析软件，被广泛应用于各种复杂工程问题的模拟分析中。
本文旨在利用ABAQUS软件中的纤维梁单元，对钢筋混凝土柱在受力作用下的破坏全过程进行数值模拟，以期更深入地理解钢筋混凝土柱的受力性能，为实际工程设计和施工提供理论支撑和参考依据。
具体而言，本文将首先介绍钢筋混凝土柱的基本构造和受力特点，阐述钢筋混凝土柱破坏过程的复杂性和重要性。
将详细介绍ABAQUS软件及其纤维梁单元的基本原理和适用范围，说明选择纤维梁单元进行数值模拟的原因和优势。
接着，本文将构建钢筋混凝土柱的数值模型，包括材料本构关系的确定、单元类型的选择、网格划分以及边界条件和荷载的施加等。
在此基础上，将进行钢筋混凝土柱在不同受力情况下的数值模拟，分析钢筋混凝土柱的受力响应、裂缝开展、破坏模式以及承载能力等方面的变化。
本文将总结数值模拟的结果，并与实验结果或已有研究成果进行对比验证，评估数值模拟的准确性和可靠性。
通过本文的研究，不仅可以更深入地了解钢筋混凝土柱的受力破坏全过程，还可以为类似工程问题的数值模拟提供有益的参考和借鉴。
本文的研究成果也有助于推动数值模拟技术在土木工程领域的应用和发展。
二、钢筋混凝土柱受力破坏机理分析钢筋混凝土柱的受力破坏是一个复杂的过程，涉及到材料的非线性、几何的非线性以及接触和边界条件的复杂性。
通过数值模拟来研究其受力破坏的全过程显得尤为重要。
在受力初期，钢筋混凝土柱主要承受弹性变形。
此时，混凝土和钢筋均处于弹性工作状态，应力与应变之间呈线性关系。
随着荷载的增加，混凝土开始出现裂缝，裂缝的扩展和分布受到钢筋的约束作用，形成了一种复杂的应力传递机制。
钢筋通过裂缝与混凝土之间的粘结力传递应力，有效地延缓了裂缝的进一步发展。
水泥混凝土坍落扩展度及扩展时间试验方法
水泥混凝土坍落扩展度及扩展时间试验方法水泥混凝土坍落扩展度及扩展时间试验方法是为了评估混凝土的流动性和塑性变形能力的重要试验。
坍落扩展度是混凝土坍落塔中沉淀高度的差值，是衡量混凝土流动性和塑性变形能力的主要指标之一。
扩展时间是混凝土从塔中排出完全到停止流动所经历的时间。
本文将介绍水泥混凝土坍落扩展度及扩展时间试验方法的具体步骤和注意事项。
一、实验设备和试验材料1.带刻度的坍落塔：坍落塔通常由透明塑料材料制成，塔内设有刻度线，便于观察混凝土沉淀高度。
2.平底容器：用于接收从坍落塔中流出的混凝土。
3.平整的工作台和振动台：用于逐渐振动坍落塔，使混凝土坍落到最低点或不发生明显变化。
4.混凝土搅拌机和振捣器：用于制备试验混凝土。
5.砂浆棒和刮板：用于搅拌混凝土和平整表面。
二、试验过程1.混凝土制备：按照设计要求配制混凝土，搅拌均匀后加入试验塔中。
注意确保混凝土的均匀性和密实度。
2.坍落扩展度的测量：(1)在平整的工作台上放置坍落塔，并在塔内部放置标定尺，使尺口与塔底齐平。
(2)将混凝土充满坍落塔，搅拌棒插入中央，顺缓抽出并割平混凝土表面，使其平整。
(3)慢慢提起坍落塔，使其与工作台分开，观察混凝土沉降后的高度差，即为坍落扩展度。
3.扩展时间的测量：(1)将坍落塔放置在振动台上，并打开振动台。
振动时间设定为20秒。
(2)开始振动后，监测混凝土沉降高度的变化。
当混凝土完全停止流动并沉降到一个相对稳定的高度时，即为扩展时间。
(3)停止振动，记录下扩展时间。
三、试验注意事项1.混凝土的制备过程中，注意控制水灰比和搅拌时间，确保混凝土的质量和均匀性。
2.坍落塔要保持干净，并在试验前用湿布擦拭干净，以避免因污染而影响试验结果。
3.在进行扩展时间试验时，振动时间和振动幅度要统一，并根据需要进行调整。
4.在进行试验过程中，要保持试验环境的恒温恒湿，避免外界因素对试验结果的影响。
5.进行多次重复试验，并取平均值，以提高试验结果的准确性和可靠性。
荷载-环境耦合作用下结构裂缝模拟综述
荷载-环境耦合作用下结构裂缝模拟综述发表时间：2018-07-09T11:33:20.187Z 来源：《基层建设》2018年第12期作者：吴强强[导读] 摘要：对在役钢筋混凝土桥梁进行分析，需要考虑荷载-环境的耦合作用。
浙江交工集团股份有限公司浙江杭州 310051摘要：对在役钢筋混凝土桥梁进行分析，需要考虑荷载-环境的耦合作用。
荷载-环境耦合作用下，对结构刚度下降的分析，除了需要考虑钢筋锈蚀外，还需要结构裂缝的萌生和扩展进行分析。
采用断裂力学模型只能对已有或者预设的裂缝进行扩展计算。
但在实际结构中，裂缝并非预设，需要对裂缝萌生位置进行判断。
关键字：在役钢筋混凝土桥梁；荷载-环境耦合作用；钢筋锈蚀；裂缝1 引言桥梁是交通设施的重要组成部分，随着中国经济的飞速发展，国家对基础设施的建设投入必然会越来越大，新桥在不断建设中，新老桥梁同时存在，出现了桥龄分布较广的现象。
老桥在环境和荷载的耦合作用下出现大量裂缝导致正常使用状态或承载能力极限状态不再满足要求等原因。
对在役钢筋混凝土桥梁进行分析时，需要对荷载-环境的耦合作用下钢筋混凝土结构裂缝萌生和发展进行综合研究。
2 荷载-环境耦合作用下结构裂缝模拟2.1 钢筋混凝土结构裂缝模型荷载-环境耦合作用下，除了钢筋锈蚀导致钢筋本身直径减小以及钢筋-混凝土界面粘结性能下降带来的结构刚度减小外，裂缝的萌生和扩展也会使结构的刚度减小。
目前，在有限元计算中常用的裂缝模型主要有分离裂缝模型（Discrete crack model），弥散裂缝模型（Smeared crack model）以及断裂力学模型（Fracture mechanics model）[1]。
近年来，随着断裂力学的发展，断裂力学裂缝模型研究较多，虚拟裂缝模型（Fictitious crack model）[2]和钝带裂缝模型（Crack band model）[3]分别是其中的代表。
Ingraffea A R等[4]通过对裂缝尖端附近网格重划分的方法，在传统有限元中采用分离式裂缝模型对裂缝的扩展进行了模拟。
钢筋混凝土开裂有限元模拟
1钢筋混凝土开裂模拟一、问题的描述假定某混凝土开裂后的抗拉强度为零，在纯弯矩M 的作用下，钢筋界面面积为s A 时，通过有限元的计算来模拟钢筋混凝土梁底部裂缝开展、钢筋的最大拉应力和混凝土的最大压应力。
（1）材料性能混凝土：31020⨯=E ，0=cr σ，0=υ。
钢筋：310300⨯=E ，0.3=υ。
（2）截面尺寸梁宽10=b ，梁高12=h ，钢筋面积0.3=A 。
作用荷载：纯弯矩1000=M 。
注意：以上数值没有给出单位，在ANSYS 中，只要单位统一即可。
二、命令流FINISH/CLEAR,NOSTART/TITLE,Crack/NOPRKEYW,PR_SET,1KEYW,PR_STRUC,1/COM, Structural!前处理/PREP7wid=10 !定义常数hei=12dep=3are=0.3od=2wall=1mm=500ex1=20e3ex2=300e3pr1=0pr2=0.3ET,1,SOLID65 !定义单元KEYOPT,1,5,2ET,2,LINK8ET,3,PIPE16R,1, , , , , , , !定义实常数R,2,are, ,0R,3,od,wall, , , , ,MP,EX,1,ex1 !定义材料属性MP,PRXY,1,pr1TB,CONC,1,1,9,TBDA TA,,,,,-1,,MP,EX,2,ex2MP,PRXY,2,pr2BLC4, , ,wid,hei,dep !建模/VIEW, 1 ,1,1,1/ANG, 1/REP,FASTTYPE, 2 !划分网格MA T, 2REAL, 2LPLOTLSEL,,LINE,,9,10LESIZE,ALL, , ,1, , , , ,1LMESH,ALLALLSELTYPE, 3MA T, 1REAL, 3LSEL,,LINE,,6,8,2LESIZE,ALL, , ,4, , , , ,1LMESH,ALLALLSELTYPE, 1MA T, 1REAL, 1LSEL,S,LOC,X,0.1,wid-0.1LESIZE,ALL, , ,1, , , , ,1ALLSELMSHAPE,0,3DMSHKEY,1VMESH,ALLFINISH/PREP7CE,1,0,4,UZ,1,7,UZ,-1,7,ROTX,-3, !建立约束方程CE,2,0,6,UZ,1,7,UZ,-1,7,ROTX,-1.5,CE,3,0,8,UZ,1,7,UZ,-1,7,ROTX,1.5,CE,4,0,5,UZ,1,7,UZ,-1,7,ROTX,3,2CE,5,0,1,UZ,1,11,UZ,-1,11,ROTX,-3,CE,6,0,12,UZ,1,11,UZ,-1,11,ROTX,-1.5,CE,7,0,10,UZ,1,11,UZ,-1,11,ROTX,1.5,CE,8,0,9,UZ,1,11,UZ,-1,11,ROTX,3,FINISH!加载与求解/SOLNSEL,S,LOC,Z,0 !定义约束D,ALL,ALLALLSELNSEL,S,LOC,Z,depD,ALL,ROTYD,ALL,ROTZALLSELF,7,MX,mm !施加荷载F,11,MX,mmNSUBST,5,0,0AUTOTS,1SOLVEFINISH!后处理/POST1SET,LAST*GET,SCON,NODE,17,S,Z !列表显示钢筋抗拉应力和混凝土抗压应力数值ETAB,ST,LS,1ESORT,ST*GET,STL,SORT,,MAX*status,parm/EFACET,1 !显示Z向单元应力变形图PLNSOL, S,Z, 0,1.0PLDISP,2/DEVICE,VECTOR,1 !显示混凝土开裂图PLCRACK,0,0SA VEFINISH3三、模拟结果图1、钢筋的抗拉应力和混凝土的抗压应力数据图2、Z方向的单元应力变形图43、混凝土开裂情况5。
混凝土数值研究中裂缝模拟的新方法
科技信息0.前言混凝土是典型的非均匀材料，其内部有宏观的缺陷如裂纹、夹渣、气泡、孔穴等。
混凝土的强度、变形和破坏性能等都与其内部结构及裂缝的扩展有关。
混凝土破坏是由于体系中潜在的各种缺陷引起的，其破坏过程实际上就是微裂纹萌生、扩展、贯通，直到宏观裂纹产生导致混凝土失稳破裂的过程[1]。
研究混凝土材料的断裂过程及其宏观力学性能有利于认识混凝土断裂破坏机理，为混凝土结构体系的数值仿真分析提供力学依据。
国内外学者提出了很多研究混凝土断裂破坏的数值方法，包括流形元法[2]、边界元法[3]、分形几何法[4]、无网格法[5]、有限元法[6]等等。
这些非连续介质数值计算方法由于其各自的缺陷，如网格重划分问题，计算效率问题等因素限制了其发展。
1999年，美国西北大学以Belytschko 教授为代表的研究组提出了一种在常规有限元框架内求解不连续问题的扩展有限元法，该方法在短短的十年内得到广泛的应用。
Ted Belytschko 等[7]采用XFEM 和水平集模拟了弹塑性介质中的动态裂纹扩展问题，数值模拟和试验结果一致。
Moes 等[8]利用XFEM 进行细观结构的多尺度分析，他们认为，虽然计算中网格不需要与物理表面一致，但仍需要细到足以捕捉这些表面的几何特征。
张晓东[9]用扩展有限元法结合虚拟裂缝模型对单向拉伸混凝土板和三点弯曲混凝土梁进行开裂过程模拟，重点考察初始裂纹长度、混凝土断裂对混凝土板和梁开裂特性的影响。
应宗权[10]等为了简化颗粒增强复合材料的单元划分问题，利用水平集函数来表征夹杂材料的几何界面，从而使得有限元网格的划分无需与材料细观结构的内部边界相协调。
本文首先介绍扩展有限元法的基本原理，给出了扩展有限元进行混凝土开裂及裂纹扩展的分析方法，最后采用扩展有限元模拟了混凝土单轴拉伸的细观断裂破坏过程，展示扩展有限元在混凝土断裂问题研究中的独特优势。
1.扩展有限元基本原理扩展有限元（XFEM ）是基于单位分解的思想在常规有限元位移模式中加进一些特殊的函数，即跳跃函数和裂尖渐近位移场，从而反映裂纹的存在。
重力坝开裂过程扩展有限元数值模拟
重力坝开裂过程扩展有限元数值模拟靳旭;董羽蕙【摘要】扩展有限元法(XFEM)是一种求解不连续问题的数值方法.它继承了常规有限元法(CFEM)的所有优点,在模拟裂纹扩展、界面、复杂流体等不连续问题时特别有效,近十多年得到了快速发展.介绍了XFEM的基本原理,给出了进行混凝土裂纹扩展分析的方法.利用XFEM模拟混凝土重力坝裂纹扩展,通过对比有、无裂纹情况下的重力坝应力分布,分析裂纹存在对重力坝应力场分布的影响；分析裂纹扩展受网格疏密程度的影响；计算在不同岩基弹性模量下裂纹的扩展方向.%Extended finite element method(XFEM)is a numerical solution for analyzing discontimuity problem . It inherited all the advantages of the conventional finite element method (CFEM) , in the simulation of crack extension , interface, complex fluid and other discontinuities are particularly effective , in the past decade it has been rapid development. The basic theory of XFEM in introduced and the method of analyzing concrete fracture is presented. The XFEM is utilized to simulate the crack propagation in concrete gravity dam. By the contrast of stress distribution under no crack and crack circumstance of gravity dam the discipline of stress field distribution is analyzed; It is also used for influence of mesh density to crack propagation and is calculated the crack propagation direction in batholith elastic modulus.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2012(012)033【总页数】6页(P9100-9104,9109)【关键词】重力坝;扩展有限元法;裂纹扩展;网格疏密;弹性模量【作者】靳旭;董羽蕙【作者单位】昆明理工大学建筑工程学院,昆明650500;昆明理工大学建筑工程学院,昆明650500【正文语种】中文【中图分类】TV313;TV642.3实际工程中，无论采用多么严格的裂缝控制措施，混凝土结构仍然会带裂缝工作。
确定混凝土裂缝扩展双K准则的试验方法_徐世烺
踪研究论文。会上徐世烺教授介绍了这一断裂准则的
本次会议对混凝土在动、静荷载下混凝土的断
理论意义和在工程中的实际应用。与会专家学者就这 裂失效及结构响应进行了报告探讨，交流了最新研
一议题进行了深入的讨论，肯定了双 Ｋ 断裂准则的 究成果；重点讨论了确定混凝土断裂扩展双 Ｋ 准则
重要意义，并对其试验细节提出了建设性的意见。
出的虚拟裂缝模型和裂缝带模型的数值计算运算， 量的变化反映了混凝土的断裂损伤破坏的 ３ 个阶
无需进行 Ｋａｒｉｈａｌｏｏ 和 Ｎａｌｌａｔｈａｍｂｉ 在 １９９０ 年提出 段，并讨论了试件尺寸对声发射信号参量的影响。
的尺寸效应模型和等效裂缝模型中所必要的回归分
会议最后由德国斯图加特大学的 Ｒｅｉｎｈａｒｄｔ 教
1
国 混凝土刚度衰减即损伤。由于不受限于符号，模型中 际 所采用的扩展拉格朗日方法在数值分析上是强有力 学 的工具。在该模型中，混凝土的局部开裂表征为椭圆 术 形开裂表面和双曲线软化方程。报告中展示了该模 动 型用于前人已有三点弯、四点弯、剪切等经典试验的 态 对比研究，结果表明：所提出的模型可以很好地反应
清华大学，同济大学，大连理工大学，武汉大学，河海 大学，南京水利科学研究院，贵阳勘测设计研究院， 长委设计院和长江水利科学研究院达成共识，联合 进行混凝土双 Ｋ 断裂韧度试验。会议讨论 ＲＩＬＥＭ ＴＣ ＴＤＫ 第二次委员会会议拟于 ２０１３ 年 ４ 月在杭 州举行。
12
的试验方法，并联合德国斯图加特大学（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ
随后，浙江大学建工学院的吴建营副教授作了 Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ）， 德 国 亚 琛 工 业 大 学 （ＲＷＴＨ Ａａｃｈｅｎ
2013
题为 《局部开裂混凝土的多裂纹弹塑性扩展损伤本 Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ），法国交通科学技术研究院，韩国首尔国
混凝土裂缝扩展的动态研究及数值模拟
混凝土裂缝扩展的动态研究及数值模拟一、前言混凝土结构是现代建筑中常见的材料之一，但在使用过程中，混凝土结构往往会因为各种原因出现裂缝，影响其使用寿命和安全性能。
因此，了解混凝土裂缝扩展的动态研究及数值模拟对于混凝土结构的设计和维护具有重要意义。
二、混凝土裂缝扩展的机理混凝土裂缝扩展是指混凝土中已有的裂缝在受到外部荷载的作用下发生的扩展过程。
混凝土裂缝扩展的机理主要包括以下两个方面：1.裂缝的产生原因混凝土结构在使用过程中，由于外部荷载、温度变化、湿度变化等原因，会出现内部应力变化。
当内部应力超过混凝土的承载能力时，就会出现裂缝。
裂缝的产生原因是多方面的，其中包括混凝土材料自身的缺陷、施工质量不良等因素。
2.裂缝的扩展机理混凝土裂缝的扩展是由于应力作用下裂缝周围混凝土的拉伸和剪切变形，导致裂缝的扩展。
裂缝扩展的速度和扩展路径是由裂缝周围的应力场和材料性质决定的。
三、混凝土裂缝扩展的动态研究混凝土裂缝扩展的动态研究是指对混凝土结构在受到外部荷载作用下，裂缝扩展的速度和路径等动态变化进行研究。
混凝土裂缝扩展的动态研究主要包括以下几个方面：1.裂缝扩展的速度与应力场分析混凝土裂缝扩展的速度是影响混凝土结构使用寿命和安全性能的关键因素之一。
因此，研究混凝土裂缝扩展的速度与应力场的分析对于混凝土结构的设计和维护具有重要意义。
2.裂缝扩展的路径分析混凝土裂缝扩展的路径是受到裂缝周围应力场的影响，因此对裂缝扩展路径的分析可以更好地理解混凝土结构的受力情况。
3.裂缝扩展的机理与影响因素混凝土裂缝扩展的机理和影响因素是混凝土结构研究的重要内容。
深入了解混凝土裂缝扩展的机理和影响因素有助于提高混凝土结构的使用寿命和安全性能。
四、混凝土裂缝扩展的数值模拟混凝土裂缝扩展的数值模拟是指利用数值计算方法对混凝土结构在受到外部荷载作用下，裂缝扩展的速度和路径等动态变化进行模拟。
混凝土裂缝扩展的数值模拟主要包括以下几个方面：1.数值模拟的方法和模型数值模拟的方法和模型是混凝土裂缝扩展数值模拟的关键。
冲击荷载作用下混凝土裂纹扩展特性试验研究及数值模拟
冲击荷载作用下混凝土裂纹扩展特性试验研究及数值模拟一、研究背景混凝土是建筑工程中常用的材料之一，其具有高强度、耐久性好等优点。
然而，在荷载作用下，混凝土容易发生裂纹，从而影响其性能和寿命。
因此，深入研究混凝土在荷载作用下的裂纹扩展特性对于保障建筑结构的安全和稳定具有重要意义。
二、试验设计1.试验目的本次试验旨在研究荷载作用下混凝土的裂纹扩展特性，探究裂纹扩展的规律，为混凝土结构的设计提供参考。
2.试验材料试验采用普通混凝土，其配合比为水泥：砂：石子=1:2:3，水灰比为0.5。
3.试验方法采用拉伸试验法，将混凝土试样置于拉伸试验机上，施加渐进式荷载，观察试样的裂纹扩展情况。
试验过程中，记录荷载-位移曲线，以及裂纹扩展长度与荷载之间的关系。
4.试验步骤步骤一：制备混凝土试样，按照配合比将水泥、砂、石子、水拌和均匀，制成直径为150mm，高度为300mm的圆柱形试样。
步骤二：将试样放置于拉伸试验机上，施加荷载，并记录荷载-位移曲线。
步骤三：在荷载作用下观察试样的裂纹扩展情况，并记录裂纹长度与荷载之间的关系。
5.试验结果分析试验结果显示，随着荷载的逐渐增加，混凝土试样出现了不同程度的裂纹，随着荷载的继续增加，裂纹长度也逐渐加大。
在试验过程中，裂纹的扩展呈现出不稳定的趋势，即裂纹长度不断增加，但增长速度不断减缓。
此外，试验结果还表明，混凝土试样的受力性能随着裂纹的扩展而逐渐下降。
三、数值模拟为了更加深入地研究混凝土在荷载作用下的裂纹扩展特性，本研究选用有限元分析法对混凝土试样的裂纹扩展进行模拟。
具体模拟步骤如下：1.建立有限元模型首先，根据混凝土试样的几何尺寸和试验条件，建立混凝土试样的有限元模型。
为了准确反映混凝土的非线性特性，采用弹塑性模型对混凝土进行建模，并在模型中考虑混凝土的各向异性。
2.施加荷载在有限元模型中，施加与试验中相同的荷载并进行计算。
在模拟过程中，记录混凝土试样中裂纹的产生和扩展情况。
混凝土扩展度试验方法
混凝土扩展度试验方法一、引言混凝土扩展度试验是用来评估混凝土在受到一定约束时的变形能力和抗开裂性能的重要试验方法。
混凝土扩展度试验方法的准确性和可靠性对于混凝土结构的设计和施工具有重要的意义。
本文将介绍混凝土扩展度试验的基本原理、试验步骤和数据分析方法。
二、试验原理混凝土扩展度试验是通过施加一定的应变速率和应力水平来测定混凝土的变形性能。
试验时，将混凝土试样放置在试验机上，施加一定的加载速率，同时测量加载时的应力和变形。
根据试验结果，可以得到混凝土的扩展度指标，用以评估其抗开裂能力。
三、试验步骤1. 准备试样：根据实际需要，制备符合规范要求的混凝土试样。
试样的尺寸和数量应根据试验要求确定。
2. 安装试样：将试样放置在试验机上，确保试样与试验机的接触面积均匀，并保持试样的水平。
3. 施加加载：根据试验要求，施加一定的加载速率和应力水平。
加载过程中，应记录试样的应力和变形数据。
4. 停止加载：当试样的应力达到规定的最大值或者变形达到一定的程度时，停止加载。
5. 卸载试样：将加载后的试样从试验机上取下，记录试样的最终应力和变形。
四、数据分析1. 绘制应力-应变曲线：根据试验过程中记录的应力和变形数据，绘制应力-应变曲线。
根据曲线的形状和斜率，可以评估混凝土的扩展能力。
2. 计算扩展度指标：根据试验结果，计算混凝土的扩展度指标，如抗裂系数、变形能力等。
这些指标可以用于评估混凝土结构的抗开裂性能。
3. 分析试验结果：根据试验结果，分析混凝土的扩展性能和抗开裂能力。
如果试验结果不符合规范要求，需要进行相应的改进措施。
五、注意事项1. 试验过程中要注意保持试样的水平和稳定，避免试样的侧向位移和旋转。
2. 试验机的加载速率和应力水平应根据实际需要进行选择，以保证试验结果的准确性和可靠性。
3. 试验结果应与规范要求进行对比，评估混凝土的扩展性能和抗开裂能力是否满足设计要求。
六、总结混凝土扩展度试验是评估混凝土结构抗开裂性能的重要方法。
混凝土中裂缝扩展的数值模拟研究
混凝土中裂缝扩展的数值模拟研究一、前言混凝土结构在长期使用过程中，由于外部荷载、温度变化、湿度等多种因素的作用，会产生裂缝，进而对结构的安全性、耐久性等产生影响。
因此，对混凝土中裂缝扩展的数值模拟研究具有重要的理论和实际意义。
二、混凝土中裂缝扩展机理混凝土中裂缝扩展主要是由于混凝土的本身缺陷以及外部荷载的作用，导致混凝土内部应力超过其强度极限，从而破坏混凝土的内部结构，形成裂缝。
裂缝形成后，由于混凝土的弹性模量较小，裂缝容易扩展，进而对混凝土结构的安全性、耐久性等产生影响。
三、混凝土中裂缝扩展的数值模拟方法混凝土中裂缝扩展的数值模拟方法一般采用有限元方法。
有限元方法是一种数值计算方法，其基本思想是将复杂的物体分割成若干个简单的有限元，通过求解每个有限元的应力和应变，进而得到整个物体的应力和应变分布情况。
在混凝土中裂缝扩展的数值模拟中，有限元方法可以通过建立混凝土的有限元模型，对其内部应力、应变分布进行求解，从而得到裂缝扩展的情况。
四、混凝土中裂缝扩展的数值模拟模型混凝土中裂缝扩展的数值模拟模型主要分为线性弹性模型和非线性本构模型两种。
其中，线性弹性模型假设混凝土具有线性弹性行为，即在小应变范围内，混凝土的应力和应变呈线性关系。
非线性本构模型则考虑混凝土在大应变范围内的非线性行为，通过引入非线性本构关系，对混凝土的应力和应变进行描述。
五、混凝土中裂缝扩展的数值模拟步骤混凝土中裂缝扩展的数值模拟步骤主要包括：建立混凝土的有限元模型、施加边界条件、求解有限元方程、判断裂缝的扩展方向和裂缝的扩展长度、更新有限元模型。
具体步骤如下：1. 建立混凝土的有限元模型：根据实际情况，采用有限元软件建立混凝土的有限元模型，包括节点、单元、材料参数等。
2. 施加边界条件：根据实际情况，施加边界条件，包括支座约束、荷载施加等。
3. 求解有限元方程：利用数值计算方法求解有限元方程，得到混凝土内部应力、应变分布情况。
4. 判断裂缝的扩展方向和裂缝的扩展长度：根据混凝土内部应力、应变分布情况，判断裂缝的扩展方向和裂缝的扩展长度。
混凝土断裂损伤数值分析及其应用
混凝土断裂损伤数值分析及其应用一、引言随着工程力学和材料科学的不断发展，混凝土断裂损伤数值分析已成为一个热门的研究领域。
混凝土结构广泛应用于建筑、道路、桥梁、水利等领域，其力学性能和耐久性能对工程项目的安全和经济性具有重要意义。
混凝土断裂损伤数值分析能够通过计算机模拟来预测混凝土结构在不同荷载下的破坏机理和性能，为工程设计和施工提供科学依据和技术支持。
本文将介绍混凝土断裂损伤数值分析的基本原理、方法和应用，并结合具体工程案例进行深入探讨。
二、混凝土的断裂损伤机理混凝土的断裂损伤机理主要包括微裂纹扩展、宏观裂缝形成和断裂破坏三个阶段。
在荷载作用下，混凝土内部会产生微观裂缝，这些裂纹会逐渐扩展并形成宏观裂缝，最终导致混凝土的断裂破坏。
混凝土的断裂损伤机理与其材料特性、荷载类型和荷载大小等因素密切相关。
三、混凝土断裂损伤数值模拟的基本原理混凝土断裂损伤数值模拟的基本原理是以有限元分析为基础的数值计算方法。
该方法将混凝土结构离散成一个个小单元，在每个小单元内计算应力、应变和损伤等物理量，然后通过单元之间的相互作用来计算整个结构的力学行为。
针对混凝土的断裂损伤数值模拟，需要考虑以下几个方面：1.材料本构模型的选择混凝土是非线性、各向异性、韧性材料，需要采用适当的材料本构模型来描述其力学性能。
常用的混凝土本构模型有弹塑性模型、弹塑性损伤模型、应变软化模型等。
2.裂缝的建立和扩展混凝土的断裂损伤模拟需要考虑裂缝的建立和扩展。
裂缝的建立可以采用损伤模型来描述，裂缝的扩展可以采用各向异性裂缝扩展模型或者等效裂缝模型来描述。
3.计算方法的选择混凝土断裂损伤数值模拟可以采用各种计算方法，如有限元法、边界元法、离散元法等。
其中有限元法是最为常用的方法之一，因其具有计算精度高、计算效率快等优点。
四、混凝土断裂损伤数值模拟的应用混凝土断裂损伤数值模拟在工程领域中具有广泛的应用，涉及建筑、道路、桥梁、水利等领域。
以下将结合具体工程案例进行介绍。
冲击作用下混凝土的裂纹扩展试验与数值模拟
冲击作用下混凝土的裂纹扩展试验与数值模拟一、研究背景混凝土是建筑工程中常用的材料，但在受到冲击作用时容易出现裂纹扩展，影响其力学性能和使用寿命。
因此，了解混凝土在冲击作用下的裂纹扩展规律对于工程安全和材料优化具有重要意义。
二、试验设计1.材料选取本试验采用普通混凝土作为试验材料，其配合比为水泥：砂：石子=1：2.5：4，水灰比为0.5。
2.试验方法（1）制备混凝土试块按照配合比制备混凝土试块，尺寸为100mm×100mm×100mm。
（2）冲击试验将混凝土试块放在冲击试验机上，施加冲击荷载，记录荷载-位移曲线。
（3）裂纹观测在试验过程中观察混凝土试块的裂纹形态和扩展情况。
三、试验结果1.荷载-位移曲线经过冲击荷载的作用，混凝土试块发生了变形，荷载-位移曲线呈现出非线性的趋势，且呈现出明显的峰值。
2.裂纹形态和扩展情况在试验中，混凝土试块出现了多条裂纹，其中有些裂纹沿着试块的纵向扩展，有些则呈现出分叉的形态。
裂纹扩展的速率随着荷载的增加而加快，且裂纹扩展的方向与荷载的作用方向有一定的关系。
四、数值模拟1.数值模型建立采用有限元软件建立混凝土试块的三维有限元模型，其中考虑了混凝土的非线性和裂纹扩展的过程。
2.试验验证将模型中的参数设置为试验中的参数，并施加相同的冲击荷载，通过对比模拟结果和试验结果，验证了数值模拟的可靠性。
3.数值分析通过数值模拟，可以得到混凝土试块在不同荷载作用下的应力、应变、裂纹扩展等信息，进一步探究混凝土在冲击作用下的裂纹扩展规律。
五、结论通过试验和数值模拟，可以得到以下结论：1.混凝土在冲击作用下会出现裂纹扩展，且裂纹扩展的速率随着荷载的增加而加快。
2.混凝土中的裂纹扩展方向与荷载的作用方向有一定的关系。
3.数值模拟可以有效地模拟混凝土在冲击作用下的裂纹扩展过程，并为进一步研究提供了便利。
综上所述，混凝土在冲击作用下的裂纹扩展规律对于工程安全和材料优化具有重要意义，需要进一步深入研究。
混凝土中裂缝的扩展机理及控制
混凝土中裂缝的扩展机理及控制一、前言混凝土是一种重要的建筑材料，由于其具有较高的强度、耐久性和延展性等特点，被广泛应用于各种建筑结构中。
然而，混凝土中裂缝的出现会对其力学性能和耐久性产生不良影响，因此，混凝土中裂缝的扩展机理及其控制一直是研究的热点之一。
二、混凝土中裂缝的形成机理混凝土中的裂缝可以分为两类：一类是由于混凝土本身的收缩和膨胀而形成的收缩裂缝，另一类是由于外界荷载作用下混凝土内部的应力达到或超过其承载能力而形成的荷载裂缝。
本文将主要探讨荷载裂缝的形成机理。
（一）混凝土内部的应力分布在混凝土受到外界荷载作用时，混凝土内部的应力分布是不均匀的，在荷载作用点处的应力最大，而在周围逐渐减小。
除此之外，在混凝土内部还存在着多种不同方向的应力，这些应力在大小和方向上都是不同的，这就为裂缝的形成提供了可能。
（二）混凝土的弹性性质混凝土具有较好的弹性性质，即在荷载作用下，其会发生弹性变形，当荷载消失时能够恢复到原来的形状。
然而，在荷载达到一定程度时，混凝土就会发生塑性变形，这时混凝土的应力-应变曲线就会出现拐点。
当荷载达到混凝土的极限承载力时，混凝土就会发生破坏。
（三）混凝土的抗拉强度混凝土的抗拉强度比抗压强度要低得多，通常只有抗压强度的1/10左右。
因此，在外界荷载作用下，混凝土中的拉应力很容易达到或超过其抗拉强度，从而形成裂缝。
三、混凝土中裂缝的扩展机理混凝土中裂缝的扩展机理主要包括弹性裂缝扩展和塑性裂缝扩展两种情况。
（一）弹性裂缝扩展当混凝土中的裂缝处于弹性状态时，即荷载作用下裂缝周围的混凝土发生弹性变形时，裂缝的扩展主要是由应力集中和应力超过混凝土强度所引起的。
此时，裂缝的扩展速度较慢，且扩展方向与荷载作用方向相同。
（二）塑性裂缝扩展当混凝土中的裂缝处于塑性状态时，即荷载作用下裂缝周围的混凝土发生塑性变形时，裂缝的扩展主要是由于混凝土中的裂缝尖端处应力达到或超过其抗拉强度所引起的。
此时，裂缝的扩展速度较快，且扩展方向与荷载作用方向垂直。
混凝土裂缝扩展的断裂过程准则与解析_徐世烺
第25卷增刊II V ol.25 Sup.II 工 程 力 学 2008年 12 月 Dec. 2008ENGINEERING MECHANICS20———————————————收稿日期：2008-06-16基金项目：国家杰出青年科学基金项目(59625814)作者简介：*徐世烺(1953―)，男，湖北咸宁人，教授，博士，主要从事混凝土断裂力学理论与应用及新型材料与结构的研究工作(E-mail: slxu@)；赵艳华(1974―)，女，山西人，副教授，博士，主要从事混凝土断裂性能的研究工作(E-mail: zyhua74@).文章编号：1000-4750(2008)Sup.II-0020-14混凝土裂缝扩展的断裂过程准则与解析*徐世烺，赵艳华(大连理工大学土木水利学院，辽宁，大连116024)摘 要：该研究工作对混凝土这一多相的复合材料，通过实验和理论相结合的科学手段，建立了一套完整的描述混凝土裂缝发展的断裂理论以及分析方法。
根据实验观测结果提出了双K 断裂参数，可以反映混凝土裂缝发展特性。
在线形渐进叠加假定基础上，给出了双K 断裂参数的解析表达式。
根据分布于断裂过程区上粘聚力对裂缝扩展阻力的增强作用，得到了双K 断裂参数适用的解析解，并通过实验分析了各种可能因素对双K 断裂参数的影响。
在考虑粘聚力影响条件下，提出了裂缝扩展阻力的新K R 曲线，并将双K 断裂参数与之对应起来。
研究工作又通过能量的观点提出了与双K 断裂参数相对应的以能量释放率为参数的双G 断裂参数。
通过数值计算和实验分析证实了能量法和应力场法在描述混凝土断裂性能方面的等效性。
关键词：混凝土；断裂力学；断裂韧度；裂缝扩展；双K 断裂参数；新K R 阻力曲线；双G 断裂参数；裂缝粘聚力 中图分类号：TU528; O346.1 文献标识码：AANALYSIS AND CRITERION OF FRACTURE PROCESS FOR CRACKPROPAGATION IN CONCRETE*XU Shi-lang , ZHAO Yan-hua(School of Civil and Hydraulic Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning 116024, China)Abstract: For concrete-like multi-phase materials, systematic theories and analysis methods of crack propagation were established by combing fracture theories and testing techniques. Double-K fracture parameters were therein introduced based on experimental observations, which could be used to characterize crack propagation. Based on the hypothesis of linear asymptotic superposition, an analytical expression for double-K fracture parameters was given, and a practical estimation of their values was also provided according to the reinforcement to the crack extension resistance by cohesive force acting along the fracture process zone. And experiments were conducted to examine some possible influence factors on double-K fracture parameters. A novel K R curve was presented to depict crack propagation resistance. Parallel to double-K fracture parameters, double-G fracture parameters in the form of energy release rate were put forward. Numerical calculation and experimental analysis verified that the two methods, stress intensity factor and energy release rate, are equivalent in describing fracture features of concrete.Key words: concrete; fracture mechanics; fracture toughness; crack propagation; double-K fracture parameters;new K R resistance curve; double-G fracture parameters; cohesive force断裂力学是研究结构裂缝发展规律的有效工具，其中适用于玻璃等脆性材料的线弹性断裂力学(LEFM)已发展的较为成熟和完善，针对金属的弹塑性断裂力学(EPFM)也有了长足的发展。
裂纹扩展的扩展有限元模拟实例详解
裂纹扩展的扩展有限元模拟实例详解(总9页)本页仅作为文档页封面，使用时可以删除This document is for reference only-rar21year.March基于ABAQUS 扩展有限元的裂纹模拟化工过程机械 622080706010 李建1 引言1.1 ABAQUS 断裂力学问题模拟方法在abaqus中求解断裂问题有两种方法（途径）：一种是基于经典断裂力学的模型；一种是基于损伤力学的模型。
断裂力学模型就是基于线弹性断裂力学及其基础上发展的弹塑性断裂力学等。
如果不考虑裂纹的扩展，abaqus可采用seam型裂纹来分析(也可以不建seam，如notch型裂纹)，这就是基于断裂力学的方法。
这种方法可以计算裂纹的应力强度因子，J积分及T-应力等。
损伤力学模型是指基于损伤力学发展而来的方法，单元在达到失效的条件后，刚度不断折减，并可能达到完全失效，最后形成断裂带。
这两个模型是为解决不同的问题而提出来的，当然他们所处理的问题也有交叉的地方。
1.2 ABAQUS 裂纹扩展数值模拟方法考虑模拟裂纹扩展，目前abaqus有两种技术：一种是基于debond的技术（包括VCCT）；一种是基于cohesive技术。
debond即节点松绑，或者称为节点释放，当满足一定得释放条件后（COD 等，目前abaqus提供了5种断裂准则），节点释放即裂纹扩展，采用这种方法时也可以计算出围线积分。
cohesive有人把它译为粘聚区模型，或带屈曲模型，多用于模拟film、裂纹扩展及复合材料层间开裂等。
cohesive模型属于损伤力学模型，最先由Barenblatt引入，使用拉伸-张开法则（traction-separation law）来模拟原子晶格的减聚力。
这样就避免了裂纹尖端的奇异性。
Cohesive 模型与有限元方法结合首先被用于混凝土计算和模拟，后来也被引入金属及复合材料。
Cohesive界面单元要服从cohesive 分离法则，法则范围可包括粘塑性、粘弹性、破裂、纤维断裂、动力学失效及循环载荷失效等行为。
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针对上述存在的问题 ,本文提出一种混凝土 Ⅰ型裂缝扩展准则 ,认为当外力引起的裂缝尖端应力强 度因子 KIP与黏聚力引起的裂缝尖端应力强度因子 KσI 的差值达到起裂断裂韧度 KiInCi 时 ,裂缝即开始扩 展 ,应用该准则并借助通用有限元软件 ANSYS 对混凝土 Ⅰ型裂缝的断裂过程进行数值模拟 ,计算不同 尺寸混凝土试件的荷载 - 裂缝口张开位移 ( P2CMOD) 全曲线 、临界裂缝亚临界扩展量和失稳断裂韧度 ,
2 混凝土裂缝扩展准则
211 裂缝扩展准则的提出 根据双 K断裂准则[4 ,5] ,整个断裂过程可分为裂缝起裂 、稳定扩展 、失稳扩
展三个阶段 。由于混凝土裂缝失稳扩展前存在着主裂缝的稳定扩展阶段 ,根据虚拟裂缝模型[15] ,试件 除了受到外荷载 P 作用外 ,还存在着阻止裂缝扩展的黏聚力σ( w) 的作用 。根据叠加原理 ,可将图 1 (a) 的力分解为图 1 (b) 及图 1 (c) ,它们的应力强度因子有如下关系[16] :
曲线 、临界裂缝亚临界扩展量 、失稳断裂韧度并与应用 DIANA 软件的数值分析结果及试验结果进行了比较 ,吻合良
好 。研究还表明 ,只要给出混凝土的弹性模量 、抗拉强度和起裂断裂韧度 ,即可用本文提出的方法计算混凝土失稳
断裂韧度及裂缝扩展全过程 。
关键词 :混凝土 ;有限元 ;裂缝扩展准则 ;数值模拟 ;起裂断裂韧度 ;失稳断裂韧度
01687
B8
01828
01636
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a0ΠD
PmaxΠkN 试验值 计算值
CMODcΠμm 试验值 计算值
KuICnΠ(MPa·m1Π2 ) 试验值 计算值
acΠD 试验值 计算值
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计算混凝土等效断裂韧度的解析模型 ,并将上述的 3 组 c1 、c2 和 w0 代入该模型中进行计算 ,结果表明 ,
计算得到的裂缝口张开位移临界值 、极限荷载以及等效断裂韧度的大小对 c1 、c2 、w0 的取值不敏感 。因
此 ,本文的计算只取 c1 = 3 , c2 = 7 , w0 = 0116mm。
根据式 (2) 确定 σ( w) ,直至 KIP - ≤ KσI KiInCi ,此时确定第 i 步裂缝增量对应的荷载 load ( i) = load ( i - 1)
- nΔp ; (6) 重复第二步和第五步的过程 ; (7) 当第 j 步裂缝增量对应的荷载值 load ( j) ≤0 或裂缝扩展
1146
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B4
01507
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1147
01690
摘要 :本文将起裂断裂韧度作为材料参数 ,提出了混凝土 Ⅰ型裂缝扩展准则 ,即当外荷载引起的裂缝尖端应力强度
因子与黏聚力引起的裂缝尖端应力强度因子的差值达到起裂断裂韧度时 ,裂缝开始扩展 。在此基础 ,上采用有限
元法对混凝土 Ⅰ型裂缝的断裂过程进行了数值模拟 ,分别计算了不同尺寸混凝土试件的荷载 - 裂缝口张开位移全
然而 ,以上模型仅能描述混凝土裂缝的起裂或失稳状态 ,不能描述裂缝失稳后的扩展过程 ,从而无 法得到裂缝扩展的全过程 。为此 ,学者们采用分布裂缝模型[11] 和离散断裂模型[12] ,并与黏聚力模型相 结合 ,对混凝土断裂过程进行模拟[13 ,14] 。该方法假设在混凝土裂缝扩展过程中 ,裂缝尖端圆形区域内的 主拉应力达到了混凝土的抗拉强度 ,裂缝即开始扩展 。但是 ,混凝土作为一种准脆性材料 ,其裂缝尖端 存在着一定的应力集中 ,因此应用传统的强度理论来描述尖端位置裂缝的扩展不够准确 。
KIP - KσI ≥ KiInCi , 使 裂 缝 达 到 扩 展 条 件 ; 当 处 于 荷 载 下 降 段 时 , 第 j 裂 缝 扩 展 步 内 , 在 j - 1 步 荷 载
— 1454 —
load ( j - 1) 的作用下 , KIP - KσI > KiInCi ,在保持裂缝长度 a 不变的前提下 ,给荷载以微小增量 - Δ P ,直至
图 4 混凝土三点弯曲梁
— 1455 —
系列两组不同尺寸的混凝土试件的断裂参数 ,详细结果见表 1 、表 2 。 从表中可见 ,最大荷载 Pmax 、失稳断裂韧度 KuICn 及临界裂缝相对长度 acΠD 的计算结果与试验结果
吻合较好 。
表 1 B 系列试件计算结果与试验结果比较
试件编号
KiInCiΠ (MPa·m1Π2 )
到试件边界时 ,计算结束 。
图 3 中 CTOD 为裂缝尖端张开位移 。
图 3 裂缝扩展过程中黏聚力的变化
3 计算结果与试验结果的比较
311 断裂参数计算结果与试验结果比较 如图 4 所示的混凝土三点弯曲梁 。根据文献[ 5 ]提供的起裂 断裂韧度 KiInCi 、抗拉强度 f t 、弹性模量 E、几何尺寸等参数 ,应用本文提出的数值方法 ,计算了 B 系列和 C
对于普通混凝土 , c1 、c2 分别等于 3 和 7 , w0 等于 0116mm。根据混凝土强度及种类的不同 , c1 、c2 和
w0 的取值又可以取 c1 = 2 , c2 = 613 , w0 = 0114mm 或 c1 = 4 , c2 = 812 , w0 = 012mm。文献[ 18 ]提出了一种
2007 年 12 月 文章编号 :055929350 (2007) 1221453207
水 利 学 报
SHUILI XUEBAO
第 38 卷 第 12 期
混凝土 Ⅰ型裂缝扩展准则及裂缝扩展全过程的数值模拟
吴智敏1 , 董 伟1 , 刘 康2 , 杨树桐1
(11 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室 ,辽宁 大连 116024 ; 21 香港城市大学 建筑系 ,香港九龙 ,达之路)
程所组成 ,其中起裂韧度 KiInCi 就是判断这些起裂发生的标准 ,也是
本文所提出的扩展准则 。如图 2 所示 ,假设在每一步的裂缝扩展
中 ,荷载都经历从零增长达到该裂缝步的起裂荷载使裂缝扩展这
一过程 ,则裂缝每一步扩展都将经历裂缝起裂和稳定扩展阶段 。
在下一步的裂缝扩展中荷载又经历这一过程 。因此 ,裂缝的扩展
具体计算步骤为 : (1) 荷载从零开始以Δ P 的量值递增 ,直到 KIP = KiInCi ,此时得到的荷载为起裂荷
载 Pini ,令 load (1) = Pini ,如图 3 (a) 所示 ; (2) 删除原有模型 ,重新建模 ,裂缝向前扩展Δa ; (3) 增加荷
载 ,计算裂缝张开位移 ,根据式 (2) 确定 σ( w) ,直至 KIP - KσI ≥KiInCi ,即裂缝开始扩展 ,此时确定第二步裂
准则表述如下 : (1) 当 KIP - KσI < KiInCi 时 ,裂缝不扩展 ; (2) 当 KIP KσI = KiInCi 时 ,裂缝处于临界状态 ; (3) 当 KIP - KσI > KiInCi 时 ,裂缝扩
图 2 加载过程示意
展。
在裂缝的每一扩展步中 ,通过荷载变化及相应黏聚力的改变求解 KIP 、KσI 。在达到裂缝继续扩展的 条件后 ,继续给裂缝一个微小增量Δa ,重复循环此过程 ,使裂缝不断扩展 ,直至构件完全破坏 。最大荷
KI = KIP - KσI
(1)
式中 : KIP为由集中荷载 P 引起的裂缝尖端应力强度因子 ; KσI 为由闭合力 σ( w) 引起的裂缝尖端应力强