基于内聚力模型的地质聚合物复合材料细观破坏特性研究

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地质聚合物是由铝硅类受激材料、激发剂及骨料等按一定的配比制备而成的多相复合材料,与普通混凝土材料类似,地质聚合物材料抗拉强度低,而纤维的掺入,能有效的提高其延性。地质聚合物或纤维增强地质聚合物材料在荷载作用下的宏观断裂破坏,实质是由多相材料界面细观损伤演化引起的。因此如何在有限元计算框架中引入界面本构是进行多相材料受力破坏全过程有限元分析的关键。鉴于内聚力模型(CZM)在准脆性材料断裂方面的成功应用,本文在扩展有限元(XFEM)框架内引入CZM对地质聚合物混凝土的宏观断裂过程进行了模拟分析,通过ABAQUS的子程序接口开发了可显式描述纤维滑拔摩擦阶段的内聚力模型,进行了纤维增强地质聚合物破坏过程的细观模拟与分析,具体的研究内容及结论如下:(1)在XFEM框架下引入CZM,采用多种形式的CZM模型对地质聚合物混凝土弯曲荷载作用下裂纹萌生、扩展直至失稳破坏的全过程进行了模拟与分析,依据双K断裂模型计算起裂断裂韧度与失稳断裂韧度并与实验结果进行了对比,得到了描述地质聚合物混凝土断裂特性的最佳CZM模型,揭示了地质聚合物混凝土断裂特性的演化规律。(2)讨论了ABAQUS中可实现内聚力模型的子程序接口,总结ABAQUS单元及材料库中内聚单元与其本构关系的表现形式。在经典的双线型内聚力模型的基础上引入位移能量耦合关系,并通过Fortran语言设计了UEL子程序的流程结构。结合ABAQUS中丰富的前处理脚本接口,可以方便地在几何模型中批量建立零厚度的内聚单元。(3)提出了一种可显式描述纤维脱粘、滑拔摩擦过程的压剪复合内聚力本构关系,通过在界面处插设零厚度的内聚力单元作为应力传递的载体,直观的给出了细观尺度下纤维与地质聚合物基体界面耦合的有限元模型,并结合单元试验证明其能准确反映界面单元的承载与损伤过程。模拟计算了单丝拔出过程的力学特性并对其影响因素进行了系统分析。给出了多纤维离散的建模方法及计算模型,模拟分析了弯曲受力条件下试件的断裂破坏过程,结果表明,通过合理的设置模型参数,内聚力模型结合UEL子程序能够准确模拟计算纤维与基体的受力过程及损伤状态。
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