复合材料细观力学有着明确的工程应用背景和理论研究意义。这种关系要满足有效性质和材料的微结构无关，但是不局限于某一类型的复合材料，这些关系要满足任何细观力学模型。总的来说，复合材料细观力学研究工作已经取得了非常丰硕的成果，得到了许多有效的模型，如球星夹杂、托球星夹杂、纤维性夹杂等。......
2023-06-27
混凝土细观模型建立方法，基于材料细观构造图像
【摘要】：为了真实描述混凝土内部的细观构造，细观尺度下的混凝土模型须基于材料细观构造图像来构造和建立。这里基于图像重构混凝土细观有限元模型的方法可以概述为：首先将混凝土的细观图像转为由具有不同灰度值的像素点构成的灰度图像，如图6.27所示。图6.27基于图像的混凝土细观模型建立方法示意图众所周知，混凝土中骨料与基体之间的界面层是易于损伤演化的薄弱层，对混凝土损伤演化及宏观力学性能的影响很大。
为了真实描述混凝土内部的细观构造，细观尺度下的混凝土模型须基于材料细观构造图像来构造和建立。混凝土的细观构造图像一般可以通过计算机断层扫描（CT）或电镜来获得。通过混凝土的细观构造图像，直接生成混凝土的细观模型。这里基于图像重构混凝土细观有限元模型的方法可以概述为：
首先将混凝土的细观图像转为由具有不同灰度值的像素点构成的灰度图像，如图6.27（a）所示。这里将在图像中任意位置（x，y）所对应的像素点的灰度值记为Ig（x，y）（∈［0，255］）。其次，通过设定阀值，改变图像的灰度值，增强灰度图像，用以突出所描述的各个细观组分。如图6.27（a）所示，混凝土内部的骨料、基体、缺陷都可以被清晰地观测到，但是用以描述这三部分的像素点的灰度值的离散度比较大；为了突出这三部分区域，这里设定三个阀值进行灰度值过滤，将同一种细观组分的像素点的灰度值设定为相同。如将低于d1的灰度值设定为Ia（骨料），将在d1与d2之间的灰度值设定为Im（基体），将大于d2的灰度值设定为Iv（缺陷）。则新的灰度图像的灰度值函数Ig（x，y），可表示为：如此过滤后的新灰度图像如图6.27（b）所示。
最后根据所获得的增强过的灰度图像（图6.27（b））直接生成有限元模型。建模的过程中，首先根据图像所代表区域的尺寸，细化网格划分单元建立初始模型；然后建立有限元单元与图像像素点空间位置的关联，依据各单元所对应像素点代表的细观组分的材料属性修改其单元材料属性，获得的模型如图6.27（c）所示。
图6.27 基于图像的混凝土细观模型建立方法示意图
众所周知，混凝土中骨料与基体之间的界面层是易于损伤演化的薄弱层，对混凝土损伤演化及宏观力学性能的影响很大。很多研究混凝土细观结构对混凝土宏观力学影响的模型中，通常将混凝土视为由骨料、基体以及两者之间的界面层组成的三相非均匀材料。因此准确描述骨料与基体之间的界面层则显得尤为重要。但一般认为骨料与基体之间的界面层的厚度只有10～50μm，在细观尺度模型中要完全写实地去还原出界面层及其真实状态是非常困难的，至少如图6.27（c）所示的细观模型是难以对界面层做准确描述的。因为在细观尺度模型中用更小的单元网格去模拟10～50μm厚度的骨料与基体之间的界面层将会带来高昂的计算代价。
目前的细观模型中对于骨料与基体之间界面层的描述主要采用两种方式：一种方式是忽略界面层之间真实厚度，直接在骨料与基体之间建立一层薄膜单元用以描述骨料与基体之间的界面层，如图6.27（c）所示；并通过调节该区域的材料参数的等效值以减少由此带来的误差。另一种方式是利用多重网格自适应模拟方法，针对细观模型中骨料与基体之间界面层的部位再次精细化模拟界面层区域，力图以最优的计算代价精确地描述骨料与基体之间界面层真实的厚度。有关多重网格自适应模拟方法的详细论述，有兴趣的读者可参阅参考文献［32］。这里仅概述利用多重网格自适应模拟方法细化模拟界面层区域的方法。
定义混凝土细观模型中的初始界面层尺寸为Rinitial，然后将每一个描述骨料与基体之间界面的单元分解成4个小单元，并重新在骨料与基体之间选择靠近骨料的一层单元作为新的骨料与基体之间界面层区域，如图6.28（b）所示。第一次细化模拟后的界面层单元尺寸为Rinitial／2，如果Rinitial／2∈［10μm，50μm］，则得到了满足条件的界面层，停止分裂，否则，则按上述步骤继续下去，直到第n步细化后，Rinitial／2n∈［10μm，50μm］，如图6.28（d）所示。利用这种方法在对混凝土细观尺度模型中的界面层进行多重网格模拟，可用精细的网格描述骨料与基体之间的界面层，以逼近其真实厚度，同时又用相对粗糙的网格描述骨料与基体，这样可以较小的计算代价描述骨料与基体之间的界面层的真实状态。
图6.28 骨料与基体之间界面层细化模拟的多重网格法示意图
有关结构损伤多尺度模拟与分析的文章
- 详细阅读
-
钢筋混凝土拉拔构件细观损伤分析模型详细阅读
图6.17钢筋混凝土拉拔试样损伤分析的细观模型钢筋混凝土粘结性能的劣化主要是粘结界面区的缺陷及混凝土的细观结构弱化导致的，在界面区的细观模拟中，钢筋采用线性弹性本构关系，砂浆与粗骨料采用含损伤后的混凝土本构关系。如图6.18所示的弹性损伤本构关系模型可表示为：式中，Em与Ea分别为砂浆与粗骨料的初始弹性模量。......
2023-08-26
-
真实结构细观模型优化探讨详细阅读
对PBX 表面进行打磨、抛光、喷金等处理后，利用SEM 装置即可得到PBX 的细观结构照片。然而，SEM 照片是PBX 局部位置放大的物理图像文件，就其自然格式而言，计算机中的物理图像文件是不能直接用来处理的，必须先对它进行数字图像处理。如图7－3 所示的PBX 炸药颗粒呈黑色，黑色的灰度值比较低；而黏结剂呈灰白色，所属的灰度值比较高。真实结构的颗粒体积分数为90%。图7－3PBX 炸药的SEM 图与有限元网格模型SEM 图片；有限元网格模型......
2023-06-27
-
随机分布规则下的颗粒细观结构模型详细阅读
应用MATLAB 程序编写完成了炸药颗粒圆形随机分布模型，图7－1 所示为炸药颗粒体积分数分别为30%～80%的细观模型。该程序的主要思想是在一定区域内，随机生成若干个数组作为圆心的坐标，而圆形的半径是自由设定的，由此生成若干随机圆形，以此代表炸药颗粒。将这些命令流直接复制粘贴到ANSYS 的命令行中即可完成模型的建立。因此，为了提高炸药颗粒体积分数，更好地模拟真实PBX 的有效力学性能，建立了炸药颗粒六边形规则分布模型。......
2023-06-27
-
细观裂纹演化特性分析方法详细阅读
图2.8给出了某一构件焊接区域内裂纹型缺陷在加载过程中的X－CT扫描结果。图2.10二值化处理前后的裂纹图像图2.11试样应力－应变曲线图2.12试样变形过程中细观裂纹扩展过程由图2.12可以看出，试样变形过程中的细观损伤演化表现为其内部裂纹的萌生、扩展及聚合，其中以原有裂纹的扩展和聚合为主，同时也有部分新的细观裂纹萌生，新裂纹萌生的位置往往是原有裂纹分布相对较少的位置，随着变形的增加，裂纹分布逐渐集中于一条带状区域内。......
2023-08-26
-
高聚物黏结炸药细观损伤的实验研究详细阅读
在PBX 细观损伤的实验研究方面，国内外众多学者已有过不少的研究。Palmer 等［19］和Chen 等［20］在对PBX 间接拉伸的实时显微实验中观察到了颗粒断裂、界面脱黏、黏结剂基体开裂等多种损伤破坏形式。Chen 等［21］和Palmer 等［19］对PBX 的破坏性质进行了研究。Rae 等［23］首次将高灵敏度的云纹干涉法应用到PBX 材料的细观变形破坏研究，主要将巴西实验与云纹干涉法相结合。......
2023-06-27
-
混凝土材料细观损伤演化过程模拟的基本方程在结详细阅读
在基于材料细观构造图像建立了混凝土细观模型以后，还需要确定计算混凝土材料细观损伤演化过程的基本方程，包括由混凝土各细观组分材料性能决定的材料刚度矩阵计算、各细观组分材料的损伤演化率等。对于大尺寸的混凝土土木工程结构，则必须发展损伤跨尺度演化过程的自适应模拟与分析方法。......
2023-08-26
-
高聚物黏结炸药的细观尺度损伤破坏模拟详细阅读
PBX 中颗粒与黏结剂之间的脱黏预测是非常重要的，因为更复杂的应力分布与脱黏破坏有关。他们认为，随着HMX 颗粒体积分数的增加，PBX 断裂阈值降低。Wang等［70］进一步发展了HMX 晶体及其黏合剂和界面的损伤模型，研究了PBX 9501 的动态力学行为和细观损伤演化机理。图1－5PBX 细观破坏模式1—界面脱黏；2—穿晶断裂；3—颗粒挤压升温......
2023-06-27
相关推荐