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        基于子單元光滑有限元的混凝土相場損傷模型研究

        2021-10-18 08:57:38吳卓恒
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2021年27期
        關(guān)鍵詞:有限元混凝土模型

        吳卓恒

        (華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣東 廣州 510641)

        混凝土是當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛的工程材料之一,然而作為一種準(zhǔn)脆性材料,其在正常使用中會不可避免的出現(xiàn)裂縫,雖然現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[1]允許鋼筋混凝土構(gòu)件帶裂縫工作,但這些裂縫則對構(gòu)件乃至結(jié)構(gòu)造成的不利影響仍是不可忽略的。

        2018 年,Wu 提出的混凝土相場損傷模型[1]在給定相場尺度參數(shù)b 后僅需彈性模量、泊松比、單軸抗拉強(qiáng)度等容易獲取的材料參數(shù)即可很好地模擬混凝土中復(fù)雜的開裂行為,有很廣闊的應(yīng)用前景。但該模型在通過有限元方法(Finite Element Method,F(xiàn)EM)進(jìn)行求解時,由于需要保證相場梯度的精度,在潛在開裂區(qū)域附近往往需要劃分較為精細(xì)的網(wǎng)格,這導(dǎo)致模型分析效率偏低。

        2007 年Liu 等結(jié)合無網(wǎng)格法中的光滑應(yīng)變技術(shù),提出了光滑有限元方法(Smoothed FEM, S-FEM)[3],其中子單元光滑有限元(Cell-based S-FEM, CS-FEM)算法簡單,且在同網(wǎng)格下較FEM具有更高的計算精度。用其求解混凝土相場損傷模型的位移場與相場將有望提升求解精度,降低其對網(wǎng)格尺寸的要求,提升分析效率。

        基于以上考慮,本工作將使用CS-FEM來求解混凝土相場損傷模型的位移場與相場,驗證其求解相場損傷模型的能力,同時比較CS-FEM 在建議網(wǎng)格尺寸下的細(xì)網(wǎng)格和建議網(wǎng)格尺寸外的粗網(wǎng)格模擬結(jié)果的差異。

        1 混凝土相場損傷模型

        圖1 混凝土相場損傷模型對裂縫的幾何規(guī)則化

        在混凝土相場損傷模型中,尖銳裂縫S 被彌散至寬度由尺度參數(shù)b 控制的損傷帶B 中,固體其余部分ΩB 則不受裂縫影響。根據(jù)[1,3,4],混凝土相場損傷模型的相關(guān)公式可整理為表1 所示的公式方框圖。

        表1 混凝土相場損傷模型公式

        在混凝土相場損傷模型基于FEM的數(shù)值實現(xiàn)中,為保證求解精度,一般建議網(wǎng)格尺寸h 與相場長度尺度參數(shù)b 滿足h≤b/5。

        2 CS-FEM 基礎(chǔ)理論與數(shù)值實現(xiàn)

        2.1 光滑應(yīng)變技術(shù)

        在標(biāo)準(zhǔn)FEM中,固體的應(yīng)變通過以下公式計算

        式中,Nn為模型中的節(jié)點總數(shù),Ni為節(jié)點i 的位移插值形函數(shù)矩陣,ai為節(jié)點i 的所有位移自由度。

        CS-FEM中采用的光滑應(yīng)變技術(shù)則是在標(biāo)準(zhǔn)有限元應(yīng)變場的基礎(chǔ)上進(jìn)行空間平均化處理。將求解區(qū)域劃分為Ns個光滑域Ωsk,采用常數(shù)型光滑函數(shù)[6],根據(jù)高斯公式可以得到邊界上一維線積分形式的光滑應(yīng)變場計算公式

        式中,nx和ny分別為邊界Γsk單位外法向量沿x 軸和y 軸方向的分量。

        2.2 混凝土相場損傷模型在CS-FEM中的實現(xiàn)

        CS-FEM中位移場與相場的通過以下的插值公式計算

        式中,Nui和Ndi為節(jié)點位移和相場的插值形函數(shù)矩陣,aui和adi分別為節(jié)點i 的所有位移自由度和相場自由度。

        如圖2 所示,CS-FEM 的光滑域是通過連接兩條對邊的中點得到的。相應(yīng)的光滑后的應(yīng)變和相場梯度表達(dá)式為

        圖2 CS-FEM 中的光滑域劃分與積分的分布

        式中,NsΓ為光滑域的邊界數(shù);xGp為邊界上高斯積分點的坐標(biāo);lp為積分邊界的長度。需要指出的是,整個過程不需要標(biāo)準(zhǔn)有限元中對單元插值形函數(shù)的求導(dǎo)以及單元的等參變換。

        通過上述的離散過程,可以得到殘量形式的控制方程

        3 數(shù)值算例

        考慮Winkler[7]的L 型板試驗,試件的幾何尺寸、加載方式與裂縫路徑如圖3 所示。模擬中采用Unger 等[7]建議的材料參數(shù):彈性模量E0=2.0×104MPa,泊松比υ=0.18,單軸抗拉強(qiáng)度ft=2.5MPa,Ⅰ型斷裂能Gf=0.130N/mm。相場長度尺度參數(shù)b 取為10mm。分別考慮大于建議網(wǎng)格尺寸的粗網(wǎng)格(h = b/2)和滿足建議網(wǎng)格尺寸外的細(xì)網(wǎng)格(h = b/5)。

        圖3 L 型板試驗:幾何尺寸、加載方式與裂縫路徑

        模擬得到的開裂路徑如圖4 所示,可以看出基于CS-FEM的相場損傷模型在粗、細(xì)網(wǎng)格下得到的裂縫路徑相同,且落在試驗實測范圍內(nèi)。

        圖4 模擬得到的開裂路徑

        模擬得到的荷載- 位移曲線如圖5 所示,從中可以看出粗網(wǎng)格下得到的荷載較細(xì)網(wǎng)格下的結(jié)果偏大,但二者間差別很小且均落在試驗實測范圍內(nèi)。

        圖5 模擬和試驗得到的荷載- 位移曲線

        4 結(jié)論

        4.1 子單元光滑有限元(CS-FEM)能正確求解混凝土相場損傷模型。

        4.2 CS-FEM在采用較FEM建議的網(wǎng)格尺寸(h≤b/5)更粗的網(wǎng)格(h=b/2)時同樣能正確地模擬混凝土開裂破壞過程。

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