復(fù)合材料力學(xué)

1、目錄復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué).1簡(jiǎn)支層合板的自由振動(dòng)9不同條件下對(duì)稱層合板的彎曲分析14復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué) 混凝土細(xì)觀力學(xué)一、研究背景Ø 復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)是20世紀(jì)力學(xué)領(lǐng)域重要的科學(xué)研究成果之一，是連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和材料科學(xué)相互衍生形成的新興學(xué)科。近20年來，我國(guó)科技工作者應(yīng)用材料細(xì)觀力學(xué)的理論和方法，成功研究了許多復(fù)合材料的增強(qiáng)，斷裂和破壞問題，給出了一些特色和有價(jià)值的研究成果。Ø 混凝土細(xì)觀力學(xué)混凝土作為一種重要的建筑材料已有百余年的歷史，它廣泛應(yīng)用于房屋、橋梁、道路、礦井、及軍工等諸多方面。在水工建筑方面，混凝土也被大量使用，特別是大體積混凝土，它是重力壩和拱壩的主

2、要組成部分，對(duì)混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能的準(zhǔn)確把握及應(yīng)用，在一定程度上決定了水工建筑物的質(zhì)量和安全性能。二、研究目的長(zhǎng)期以來，在混凝土應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域里，人們對(duì)混凝土的力學(xué)特性進(jìn)行了大量的研究。如何充分的利用混凝土的力學(xué)性能，建造出更經(jīng)濟(jì)、更安全和更合理的建筑物或工程結(jié)構(gòu)，一直都是結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域研究的重要課題。三、研究現(xiàn)狀混凝土是由粗骨料和水泥砂漿組成的非均質(zhì)材料，它的力學(xué)性能受到材料的品質(zhì)、組分、施工工藝和使用條件等因素的影響。過去，人們對(duì)混凝土力學(xué)性能的研究很大程度上是依靠實(shí)驗(yàn)來確定的。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，混凝土各種力學(xué)性能被揭示出來。但由于實(shí)驗(yàn)需要花費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，而且所得到的實(shí)驗(yàn)成果

3、往往由于實(shí)驗(yàn)條件的限制也是很有限的。現(xiàn)代科學(xué)的一個(gè)重要的思維方式與研究方法就是層次方法，在對(duì)客觀世界的研究中，當(dāng)停留在某一層次，許多問題無法解決時(shí)，深入到下一個(gè)層次，問題就會(huì)迎刃而解。對(duì)混凝土斷裂問題的研究歸納為如下四個(gè)研究層次：1) 宏觀層次：混凝土這種非均質(zhì)材料存在著一個(gè)特征體積，經(jīng)驗(yàn)的特征體積相應(yīng)于34倍的最大骨料體積。當(dāng)混凝土體積大于這種特征體積時(shí)，材料被假定為均質(zhì)的，當(dāng)小于這種特征體積時(shí)，材料的非均質(zhì)性將會(huì)十分明顯。有限元計(jì)算結(jié)果反映了一定體積內(nèi)的平均效應(yīng)，這個(gè)特征體積的平均應(yīng)力和平均應(yīng)變稱之謂宏觀應(yīng)力和宏觀應(yīng)變。2) 細(xì)觀層次：在這個(gè)層次中，混凝土被認(rèn)為是一種由骨料、砂漿和它們之間

4、的粘結(jié)帶組成的三相非均質(zhì)復(fù)合材料，細(xì)觀內(nèi)部裂隙的發(fā)展將直接影響混凝土的宏觀力學(xué)性。細(xì)觀層次的模型一般是毫米或厘米量級(jí)。3) 微觀層次：在這個(gè)層次上，認(rèn)為砂漿的非均質(zhì)性是由漿體中的孔隙所產(chǎn)生的。由于砂漿中孔隙很小而且量多，隨機(jī)分布，水泥砂漿可近似看作細(xì)觀均質(zhì)損傷體。同配合比、同條件的砂漿試件，通常其力學(xué)性能也比較穩(wěn)定，可由試驗(yàn)直接測(cè)定。4) 納觀層次：混凝土的納觀層次認(rèn)為水泥漿體本身也是一種隨機(jī)的復(fù)合材料，其組分是未水化的熟料顆粒、水化硅酸鈣、氫氧化鈣晶體、毛細(xì)孔和其他的化學(xué)成分，該層次毛細(xì)孔的尺寸是微米或亞微米量級(jí)。在過去長(zhǎng)期的研究中，人們?yōu)榱搜芯可系姆奖悖雎曰炷翉?fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在對(duì)材

5、料宏觀本構(gòu)關(guān)系的描述中，這種材料是“黑匣子”，采用唯象學(xué)的觀點(diǎn)，把它們平均化和均勻化為宏觀均勻連續(xù)體，并以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)發(fā)展了彈性、彈塑性以及黏彈塑性的混凝土本構(gòu)模型。這種方法能夠使人們對(duì)工程結(jié)構(gòu)的均勻化狀態(tài)有一個(gè)總體上的認(rèn)識(shí)，可以作為工程設(shè)計(jì)的依據(jù)和參考。但是，這些模型無法深入了解混凝土在外力作用下內(nèi)部微裂紋萌生、擴(kuò)展及其貫通，直至宏觀裂紋形成，促使試樣失穩(wěn)破裂的整個(gè)過程，更無法反映混凝土斷裂過程中表現(xiàn)出來的變形局部化和應(yīng)力重分布等基本特征。四、研究方法事實(shí)上，材料的宏觀斷裂過程必然與其細(xì)觀的非均勻結(jié)構(gòu)是密切相關(guān)的，因而，進(jìn)行材料微、細(xì)觀結(jié)構(gòu)的模擬對(duì)于了解混凝土宏觀斷裂機(jī)理是非常有意義的。進(jìn)

6、行混凝土材料的斷裂過程以及破壞機(jī)理的研究，必須從混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)入手，利用細(xì)觀力學(xué)的研究方法，抓住混凝土材料及其力學(xué)性質(zhì)的非均勻性，借助統(tǒng)計(jì)學(xué)和數(shù)值計(jì)算方法，以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)建立數(shù)值模型，進(jìn)行混凝土斷裂過程的數(shù)值模擬。從混凝土試樣的拋光斷面上（如下圖1），很容易鑒別的兩個(gè)相是不同尺寸、形狀的骨料顆粒以及分布紊亂的硬化水泥漿體物質(zhì)所組成的膠凝性介質(zhì)，因此從宏觀水平而論，混凝土可視為由骨料顆粒分散在水泥砂漿基質(zhì)中所組成的材料。圖1 混凝土試樣的拋光斷面上從細(xì)觀水平而言，結(jié)構(gòu)的兩個(gè)相既不是彼此均勻分布，其本身也不是均勻的，顯示出一定的非均質(zhì)復(fù)雜性。事實(shí)上，在混凝土實(shí)驗(yàn)中觀察到的很多現(xiàn)象以及混凝土在應(yīng)

7、力作用下行為的許多方面只能將水泥砂漿與粗骨料的界面視為混凝土結(jié)構(gòu)的第三相才能作出解釋。因此在細(xì)觀層次上，混凝土被認(rèn)為是由粗骨料、砂漿及二者間的粘結(jié)帶組成的三相非均質(zhì)復(fù)合材料，其中粘結(jié)帶為圍繞大骨料周圍存在的一層薄殼。在細(xì)觀層次上，把混凝土看作是由粗骨料、砂漿及二者問的粘結(jié)帶組成的三相非均質(zhì)復(fù)合材料，研究混凝土內(nèi)裂縫形成、擴(kuò)展，追溯混凝土細(xì)觀單元從損傷至斷裂的全過程，預(yù)測(cè)材料的破壞抗力等力學(xué)指標(biāo)，建立混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系。其工作主要分為以下幾個(gè)部分：1) 分析混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)組成，采用蒙特卡羅隨機(jī)取樣原理，編程產(chǎn)生一個(gè)在形狀、尺寸及粗骨料的空間分布上都非常類似于真實(shí)混凝土的混凝土隨

8、機(jī)骨料結(jié)構(gòu)。2) 結(jié)合Visual Fortran、AutoCAD及ANSYS等計(jì)算機(jī)軟件工具，對(duì)產(chǎn)生的隨機(jī)骨料結(jié)構(gòu)劃分有限元網(wǎng)格，生成可控制粘結(jié)帶厚度的隨機(jī)骨料結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格。3) 用無量綱化指標(biāo)建立細(xì)觀層次均質(zhì)水泥砂漿損傷體的單軸拉壓損傷本構(gòu)關(guān)系，將損傷耦合到混凝土受拉和受壓的本構(gòu)方程中，把損傷力學(xué)和斷裂力學(xué)結(jié)合起來進(jìn)行分析和計(jì)算。4) 考慮到細(xì)觀層次分析的特殊性，提出結(jié)合抗拉強(qiáng)度和斷裂韌性的綜合破壞準(zhǔn)則，便于采用連續(xù)介質(zhì)有限元分析細(xì)觀層次的斷裂問題，并提出了適用于細(xì)觀混凝土力學(xué)分析的單元開裂控制法和損傷收斂準(zhǔn)則。5) 開發(fā)軟件的后處理功能，可動(dòng)態(tài)地模擬試件破壞的全過程，輸出任一時(shí)刻的變形

9、、裂縫圖像，使得細(xì)觀斷裂分析全過程可以借助圖像顯示直觀的表現(xiàn)出來。6) 應(yīng)用隨機(jī)骨料結(jié)構(gòu)，采用非線性有限單元法進(jìn)行混凝土單軸受拉和單軸受壓實(shí)驗(yàn)全過程的數(shù)值模擬，得到混凝土數(shù)值試件的單軸抗拉和抗壓強(qiáng)度。7) 對(duì)細(xì)觀混凝土數(shù)值試件進(jìn)行雙向受力分析，得到混凝土在雙軸載荷作用下的強(qiáng)度包絡(luò)線，并分析混凝土在雙向受力情況下的破壞模式及應(yīng)力場(chǎng)。8) 對(duì)細(xì)觀混凝土骨料結(jié)構(gòu)隨機(jī)性進(jìn)行分析，證明骨料結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性與混凝土材料本身的離散性具有一致性，進(jìn)一步說明了隨機(jī)骨料結(jié)構(gòu)用于模擬混凝土實(shí)驗(yàn)的合理性。五、結(jié)論與展望建立細(xì)觀力學(xué)模型，通過小量的實(shí)驗(yàn)研究就可以較好地預(yù)測(cè)混凝土的各種宏觀力學(xué)性能，進(jìn)而取代大部分的混凝土材料

10、實(shí)驗(yàn)，特別是實(shí)驗(yàn)中無法得到的大骨料混凝土的力學(xué)性能，從而大大地減少實(shí)驗(yàn)研究的工作量，具有潛在的顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。混凝土結(jié)構(gòu)的研究從宏觀到細(xì)觀，雖然在科學(xué)探索的道路上邁出可貴的步伐，但混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)的一些復(fù)雜現(xiàn)象，如水灰比對(duì)界面性質(zhì)的影響、水泥砂漿中氣泡的形成和水泥結(jié)石的形成原理等一些現(xiàn)象，在細(xì)觀層次上還解釋不清楚，要揭示更深層次的機(jī)理，也只有迸入到下一層次的研究中去，人類對(duì)混凝土物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其規(guī)律的深入了解，必將對(duì)改變混凝土上一層次的性能，特別是工程宏觀性能，向著按預(yù)定性能設(shè)計(jì)新材料，起到深遠(yuǎn)的影響和巨大的作用。參考文獻(xiàn)1 邱志章,混凝土細(xì)觀力學(xué)分析與實(shí)驗(yàn)?zāi)M2 張研，張子明,材料細(xì)觀力學(xué)3

11、王宗敏，不均質(zhì)材料(混凝土)裂隙擴(kuò)展及宏觀計(jì)算強(qiáng)度與變形4 于驍中，居襄混凝土的強(qiáng)度和破壞簡(jiǎn)支層合板的自由振動(dòng)這部分主要研究了四邊簡(jiǎn)支條件下層合板的自由振動(dòng)。求出了其理論解和ANSYS數(shù)值解，并做了誤差分析。一、問題四邊簡(jiǎn)支的正交鋪設(shè)對(duì)稱矩形層合板，鋪設(shè)角度為90/0/90/0/90/0/90單層厚度為0.2e-3m，a=0.6m，b=0.3m。材料參數(shù)，,密度為2700kg/m3，考慮層合板在慣性力作用下的自由振動(dòng)。二、MATLAB求理論解對(duì)中間鋪設(shè)角度為0時(shí)的層合板的解進(jìn)行驗(yàn)證：因?yàn)?，振?dòng)頻率和振型由下列振動(dòng)方程描述： （1）邊界條件為：（2） 選?。海?） 將此問題分為時(shí)間和空間兩部分。

12、為使式（3）滿足方程（1）和邊界條件（2），進(jìn)一步選取即將上式帶入方程（1）得式中，各頻率對(duì)應(yīng)于不同振型MATLAB編程求解：三、ANSYS求數(shù)值解1、選取單元2、材料屬性3、定義模型坐標(biāo)4、鋪層設(shè)置5、劃分網(wǎng)格并選擇分析類型6、選取10階固有頻率7、列出10階固有頻率8、第8階振型結(jié)果四、誤差分析對(duì)于中間層是0度角的鋪層計(jì)算結(jié)果對(duì)比說明anasy計(jì)算結(jié)果是比較準(zhǔn)確的。不同條件下對(duì)稱層合板的彎曲分析主要通過ANSYS軟件分析了不同邊界條件下正交鋪設(shè)層合板以及四邊固支條件下任意角鋪設(shè)層合板的彎曲分析，并對(duì)不同條件下的撓度數(shù)值解進(jìn)行了origin作圖對(duì)比。一、五種不同邊界條件下的正交鋪設(shè)對(duì)稱層合板

13、這部分對(duì)8層0/90/0/90/90/0/90/0正交鋪設(shè)層合板不同邊界條件下的彎曲進(jìn)行了分析。單層厚度為0.2e-3m,長(zhǎng)0.4m,寬0.2m。受均布載荷P=200N,材料參數(shù),。問題：求解不同邊界條件下的撓度。1、四邊固定首先，選層合板層數(shù)為8。輸入鋪設(shè)方式以及每層板的厚度。輸入材料各個(gè)參數(shù)。創(chuàng)建模型，輸入其長(zhǎng)度和寬度坐標(biāo)。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。施加邊界條件，四邊固定邊界條件。施加載荷，設(shè)置為200N的均布載荷。計(jì)算求解，并得出結(jié)果云圖。2、短邊固定，長(zhǎng)邊簡(jiǎn)支這里我們直接使用上一步操作里保存的劃分好網(wǎng)格的模型，對(duì)其施加邊界條件，短邊固定，長(zhǎng)邊簡(jiǎn)支。施加載荷并求解得出結(jié)果圖。3、短邊簡(jiǎn)支，長(zhǎng)邊自由同樣對(duì)模型施加邊界條件，短邊簡(jiǎn)支，長(zhǎng)邊自由。施加載荷求解。4、長(zhǎng)邊簡(jiǎn)支，短邊自由5、四邊簡(jiǎn)支通過以上計(jì)算，得出數(shù)值解條件撓度/mm四邊固定0.0398短邊固定，長(zhǎng)邊簡(jiǎn)支0.135短邊簡(jiǎn)支，長(zhǎng)邊自由1.537長(zhǎng)邊簡(jiǎn)支，短邊自由0.196四邊簡(jiǎn)支0.187origin生成圖像對(duì)比二、三種特殊正交鋪設(shè)對(duì)稱層合板這個(gè)部分研究了四邊固定情況下不同角度層和板在均布載荷P=200N的情況下?lián)隙鹊腁NSYS數(shù)值結(jié)果。其材料和第一部分材料相同，只是鋪設(shè)角度發(fā)生了變化，最后對(duì)不同角度的正交對(duì)成層和板結(jié)果進(jìn)行了origin作圖對(duì)比。1、鋪設(shè)角