細觀損傷分析的案例
輕骨料混凝土細觀損傷演化分析
輕骨料混凝土細觀損傷演化分析
1研究現狀
混凝土材料的準脆性斷裂破壞是裂紋萌生、穩定擴展和失穩擴展的過程。為描述和分析混凝土的斷裂行為，1961年，Kaplan［1］開始將線彈性斷裂力學方法引入到了混凝土結構的分析中。由于混凝土存在應變軟化現象，混凝土出現裂縫后，骨料與砂漿間仍存在著齒合的粘結效應，且混凝土的微觀裂縫和亞臨界裂縫尺寸相較于一般的金屬材料大幾個量級，故彈塑性斷裂力學的COD和J積分理論亦不適用于描述混凝土在細觀尺度上的斷裂損傷［2］。
近年來在細觀尺度上通過數值模擬來分析和研究混凝土的宏觀斷裂逐漸成為熱點。目前國內外學者提出了許多用于模擬混凝土斷裂損傷過程的細觀力學模型，主要分為連續和非連續裂縫模型兩類［3-4］。經典連續裂縫模型包括彌散裂紋模型［5］、鈍裂縫帶模型［6］、旋轉裂縫模型［7］等。經典的非連續裂縫模型包括格構模型［8］、剛體彈簧模型［9］、隨機力學特征模型［10］等。這些裂縫模型均難以對混凝土內部裂縫的萌生、擴展以及貫通的全過程進行直觀展示，且模型網格敏感性較大，收斂性較差。內聚力模型因能克服上述缺陷，是目前模擬材料斷裂使用較多的模型。
輕骨料混凝土具有輕質高強、保溫隔熱性能好、抗火性好和抗震性能良好等諸多優點，目前已成為僅次于普通混凝土用量最大的一種新型混凝土，得到了國內外的廣泛應用，國內外對輕骨料混凝土的力學性能、耐久性能等開展了較為廣泛的試驗研究，而有關輕骨料混凝土細觀層次上斷裂損傷演化分析和數值模擬研究仍然很少。基于連續損傷力學的內聚力模型是采用在實體單元之間嵌入內聚力單元的方法來模擬損傷以及斷裂行為。目前采用內聚力模型來模擬輕骨料混凝土單軸拉壓下損傷斷裂行為的還未見相關報道。
展開 機織復合材料細觀損傷分析仿真
對于損傷的判斷，纖維采用Hashin準則：
樹脂采用最大應力：
仿真效果
應力：
損傷分布：
編輯
跳轉
應力應變曲線結果：
（《基于嵌入式約束的機織復合材料細觀建模與分析》）
abaqus混凝土塑性損傷（CDP）細觀模型
abaqus混凝土塑性損傷細觀模型-基于隨機骨料建模
COMSOL實現隧道襯砌結構多場耦合細觀損傷 ￥100
本案例以混凝土襯砌的損傷為主線，從細觀角度，在多場耦合分析方程中引入損傷變量，應用COMSOL實現襯砌損傷過程中的熱-濕-力場三場耦合模型。通過案例和視頻講解可以掌握利用COMSOL實現襯砌混凝土溫度、濕度、氣動荷載相互作用和多因素耦合作用下襯砌結構的損傷，具體例子和視頻詳細講解附后。
COMSOL細觀混凝土砂漿及界面過渡區受壓損傷破壞
建立砂漿、骨料、界面過渡區（ITZ, Interface Transition Zone）的混凝土細觀模型對于深入理解混凝土材料的性能及其損傷破壞機理至關重要。本案例介紹在COMSOL內建立包含多邊形骨料及ITZ的混凝土細觀模型，并對其受壓損傷破壞進行研究。
隨機多邊形骨料混凝土細觀模型采用CAD隨機多邊形顆粒插件建模，將模型中的骨料、ITZ、基體分別另存為dxf格式文件。此CAD樣圖也可在以下鏈接中下載獲取。
CAD隨機多邊形顆粒
將導出的dxf文件依次導入到COMSOL內，并通過布爾操作形成混凝土細觀模型。
對模型進行材料指定，對骨料、砂漿、ITZ分別設置對應密度、楊氏模量及泊松比，同時設置損傷參數，并對模型進行網格劃分。
模型下表面設置為固定約束，上表面指定位移，模擬混凝土試塊受壓狀態，提交計算完成研究。
展開 COMSOL混凝土細觀單軸拉伸斷裂模擬基于相場損傷模型
混凝土細觀模型
構建骨料、砂漿、界面過渡區三種組分的混凝土細觀模型，模型構建采用CAD隨機多邊形顆粒插件進行參數化建模生成，操作詳細步驟可參考：【COMSOL隨機多邊形骨料及界面過渡區ITZ建模】
插件中粗骨料采用多邊形模型，骨料的位置以隨機投放的算法進行實現，骨料多邊形形狀及邊數可通過參數進行定義；界面過渡區（ITZ）采用單獨的部件，分布于粗骨料與砂漿之間，以此來獲得表征混凝土細觀特征的隨機骨料模型。
相場斷裂理論
現階段在有限元框架下模擬裂紋擴展的數值分析方法主要有單元刪除法、界面單元法、擴展有限元 (XFEM)等；相場理論是通過在尖銳裂縫擴展的邊界引入0~1的相場來反映材料的損傷或斷裂程度，通過相場的控制方程來實現變量的演化。相場 (phase-field) 斷裂模型是一種彌散式裂紋模型，是基于傳統 Griffith理論, 通過能量平衡理論研究裂紋的擴展行為，與其他斷裂理論相比，相場理論具有便于描述裂紋的形成、分岔等復雜情況，網格敏感性較小等優點。
模型樣圖
建模采用的CAD模型樣圖可在下面鏈接下載：
https://www.yqgqt.org.cn/post/1787116
展開 ABAQUS切片掃描三維重建再生骨料混凝土細觀損傷斷裂數值模擬
本案例基于ABAQUS AbyssFish CT2Model 3D V2.0插件，利用混凝土立方體試件的切片掃描圖像實現高精度有限元模型三維重建，精準劃分骨料及水泥砂漿區域，構建三維再生骨料混凝土細觀模型。施加單軸壓縮荷載，動態追蹤再生混凝土的損傷演化過程，揭示裂紋的萌生及擴展機制。本案例基于真實結構的三維重建，突破傳統隨機模型的局限性，為再生混凝土的性能優化提供可靠理論依據。
獲取混凝土內部切片圖像數據的方法主要有以下兩種：一是X射線斷層掃描（CT/XRM），其原理是利用X射線穿透混凝土試件，通過采集多角度投影數據，反演生成三維內部結構圖像；二是物理切片法，將試件切割成薄片，并對切片進行圖像采集。
獲取到試件切片圖像數據后，對圖像進行預處理以區分骨料及砂漿區域，然后即可在ABAQUS內直接采用CT2Model 3D插件將切片圖像進行混凝土細觀模型的三維重建。
由于需要考慮再生骨料及砂漿的細觀損傷斷裂，因此采用EasyCDP插件分別生成兩種損傷塑性材料模型，砂漿材料20 MPa，再生骨料15.8 MPa，并將CT2Model 3D插件建模時生成的Section中的空材料替換為CDP材料。
將模型裝配，設置分析步并施加軸心受壓載荷，需要注意載荷應施加到試件成型時的側面。
建立并提交作業，查看模擬結果。
可觀察到裂紋開展穿過再生骨料。
展開 濕熱環境下碳纖維復合材料宏-細觀損傷演化Vumat子程序。
濕熱環境下碳纖維復合材料宏-細觀損傷演化Vumat子程序。 感興趣的話和我私聊吧！
基于相場損傷模型的混凝土細觀壓縮斷裂模擬
隨著載荷的增大，在中部區域出現聚集性損傷，且損傷程度較大，裂紋處于損傷形核階段。隨著載荷繼續增大，損傷朝向左右骨料的間隙方向延伸。此時損傷繼續加大，這也就意味著在能量持續輸入的情況下，能量轉化成裂紋表面能的比例增大。隨著載荷的增大，裂紋已經完全擴展至左右兩側邊界。雖然彌散裂紋不具有尖銳裂紋那種可視化拉斷效果，但是從物理意義上來說，此時模型已經被完全拉斷。這一點從圖6模型整體的力-位移曲線也可以看出。
圖 4 不同時刻下模型損傷云圖
圖 5 損傷網格模型
圖 6 損傷本構下的力-位移曲線
后續展望
(1)對于界面過渡區的處理,本案例簡單的采用了直接賦予材料屬性的辦法。該方法的科學性還需要進一步驗證,之后需要進行全面的理論與數值模擬研究。
(2)在工程實際當中,諸如溫度、濕度等多場耦合問題也是十分常見的,對混凝土全生命周期性能影響不容忽視。研究多場耦合問題的難點在于除了需要考慮其他場與位移場的耦合關系外,對于它們與相場的耦合關系亦不容忽視,此外各自的耦合方式仍需探討,這將會是一項有意義且有趣的研究。
展開 ABAQUS二維混凝土細觀靜力學單軸壓縮損傷破壞模擬案例
ABAQUS二維混凝土細觀靜力學單軸壓縮損傷破壞模擬
https://www.yqgqt.org.cn/video/c247256
ABAQUS基于CT掃描重建與CDP模型的混凝土細觀損傷斷裂三維數值模擬
上篇文章介紹了ABAQUS通過CT或切片數據重建混凝土多組分三維細觀模型。本案例介紹采用CDP材料對三維重建的混凝土細觀模型進行損傷斷裂數值模擬有限元分析。
ABAQUS模型重建完成后，在屬性里建立骨料、砂漿、ITZ材料參數，并替換截面內原有的空材料，這里砂漿及ITZ可使用EasyCDP插件直接生成混凝土損傷塑性材料，由于不考慮骨料的損傷破壞，因此不必設置骨料的損傷參數。
將混凝土細觀部件進行裝配，添加分析步，并在載荷中設置受壓載荷。
建立并提交作業，查看最終的模擬結果。
展開 
ABAQUS細觀混凝土周期性邊界（PBC）表征體元（REV）界面層（ITZ）及砂漿塑性損傷（CDP）模擬
混凝土的細觀結構決定著其宏觀破壞行為，對混凝土在結構尺度上采用細觀模型將導致巨大的計算量而難以實現，表征體元（?REV）?方法可選取一定的平均范圍來描述混凝土的性質和行為，這對于理解和模擬混凝土的損傷機理至關重要。
本案例在Abaqus內采用Random Sphere RVE 3D（Mesh）V1.0 – AbyssFish插件進行建模，建立的混凝土細觀結構代表性體積單元(Representative Volume Element, RVE)在幾何上具備周期性邊界條件(Periodic Boundary Conditions, PBC)，包含砂漿、骨料-水泥界面過渡區(Interfacial Transition Zone, ITZ)、骨料三相材料。
案例中砂漿采用混凝土塑性損傷本構模型(Concrete Damaged plasticity Model, CDP)，骨料-水泥界面過渡區采用弱化的砂漿模型。
對代表體單元施加單軸壓縮荷載工況，對模型提交分析并查看結果。
從模擬結果反映出混凝土的損傷首先發生在骨料與水泥的界面過渡區，并向沿著界面過渡區向砂漿基體周圍擴散。
編輯
混凝土表征體單元最終會因產生貫穿裂紋而發生破壞。
展開 手搓TexGen—機織蜂窩復合材料網格生成器
我讀研究生的時候第一個項目就是寫織物力學性能分析軟件，工作以后搞氣動、參加試飛，寫了翼型結冰、試飛數據處理、冰風洞試驗數據處理、圖片曲線數據提取、UG翼型自動建模等等各種軟件和工具。一直到現在幾乎專門從事工業軟件開發。
把力學、建模、前后處理、數據采集與分析等各類技術軟件化、工具化，已經是我個人的科研風格了。不能用、不實用的虛幻研究熱點和縫合怪課題，即便能做也寧可不做。
所謂科研的品味，就是你自己喜歡怎么做事情。比如有人擅用電鏡，還自感發了一堆CNS十分的牛逼。有人喜歡所有東西AI化，用商業軟件算點東西，再加點AI佐料，自感十分前衛。有人喜歡熱點，納米火的時候他搞納米，石墨烯火的時候他搞石墨烯。
這就沒辦法，他品味就是那個樣子。人間正道是滄桑，好路走起來難。
又扯遠了。關于手搓TexGen這個問題也是一樣。我們把機織蜂窩復合材料自動生成網格這個技術也軟件化。
纖維材料方向的處理
我們知道纖維束是橫觀各向同性的，橫觀各向同性只是聽起來像各向同性，它實質上還是個各向異性，需要根據其走向給單元賦材料方向。
由于我們事先建立了纖維軌跡的理論模型，三維網格也是通過截面貫穿軌跡得到的。這個技術方案天然地，就會在生成網格過程中，自然的得到局部材料坐標系，我們只需要在這個過程里把材料方向和網格數據一同儲存，隨后寫入inp中即可。
基體的處理
我們在《機織復合材料細觀損傷分析》一文中，已經闡明，可以采用嵌入式約束的方法將纖維和基體進行耦合，這樣可以不對基體做布爾運算，簡單的六面體網格進行基體單元的快速劃分。
對于機織蜂窩復合材料來說，這里會增加一個難題，就是基體也是蜂窩狀的，即它在空間中也是間斷的，不是連續的。這就不好用一個大的六面體進行包裹，因此網格難度增加了。
展開 離散元對加固尾砂在干濕循環作用下的細觀力學分析
離散元對加固尾砂在干濕循環作用下的細觀力學分析
禹雪陽1,劉邦瑤1,田亞坤1,2,伍玲玲1,2,張志軍1,2*
(1.南華大學 資源環境與安全工程學院,湖南 衡陽 421001;2.湖南省礦山巖土工程災害預測與控制工程技術研究中心,湖南 衡陽 421001)
摘 要：為探究加固尾砂在干濕循環作用影響下力學性能、力鏈和尾砂顆粒運動的變化,通過對加固尾砂進行三軸試驗和離散元顆粒流(PFC2D)模擬試驗,分析其力學性能變化趨勢,并且探究尾砂顆粒間受力傳力和顆粒運動的演變。試驗結果表明:加固尾砂峰值應力隨著干濕循環次數增加而逐漸遞減,但是其峰值應力相較于原狀尾砂至少提升2.13倍;在干濕循環作用下,加固尾砂內部力鏈逐漸加粗,網狀粗力鏈區域增多,且網狀粗力鏈區域發生位置變化;試樣破壞碎片數量隨循環次數增加而增加,碎片集中區隨著循環進行,從試樣下部向上部移動;干濕循環造成尾砂顆粒位移情況發生改變,顆粒不同位移區域增加,并在試樣上端產生大量不同位移區域,造成試樣上端更容易被破壞。
關鍵詞：干濕循環;力學性能;PFC;力鏈;顆粒位移
0 引 言
因世界各國尾礦庫安全問題頻發,如2019年巴西布魯馬迪紐潰壩事件,造成了嚴重的安全事故,給經濟帶來了不可挽回的損失。為了解尾礦庫壩體的特性和治理尾礦庫安全問題,世界各國學者在不同種類的土體物理力學性能和微生物土體加固方面展開了大量研究。
微生物加固是土體綠色治理方案,它能有效填充土體孔隙,增強土體力學性能[1]。微生物加固能顯著提升土體物理性能和土體強度,并且在短時間內能數倍提升土體抗剪強度[2]。且微生物加固能有效降低土體導水率,從而降低土體累積侵蝕量和侵蝕速度[3]。通過微生物加固技術加固土體,還能有效降低土體開裂甚至修復土體裂縫[4]。
展開 ABAQUS隨機多面體骨料再生混凝土細觀力學分析
建立剛體加載板并與再生骨料混凝土細觀模型進行裝配。
設置荷載施加板與混凝土部件之間的相互作用。
對上部荷載施加板添加豎向位移，下部板設置為固定約束。
對再生混凝土模型進行網格劃分。
創建并提交作業，查看結果。
