基于界面控制的纤维混凝土动态破坏行为物理试验与三维并行计算模拟

When subjected to dynamic stress, interfacial properties of fiber reinforced concrete have a crucial influence on overall mechanical response and damage of concrete material and concrete structure, and failure process is extremely complex. Based on drop hammer dynamic tests and the Hopkinson pressure bar impact tests, the dynamic damage and toughening mechanism of fiber reinforced concrete under interface control will be studied by using dynamic finite element method, meso damage mechanics and parallel calculation method. The interface between the concrete and fibers will be established by using an anisotropic thin element model, and a numerical code will be developed to model the fiber reinforced concrete damage and failure subjected to dynamic stress on high performance server based on the fine numerical dynamic damage mechanics and finite element method. Number of freedom degree of the largest numerical model will exceed 300 million. Damage, fracture and pulling out of the fibers, including crack initiation, propagation and coalescence, resulting in whole final collapse of the reinforced concrete structures will be analyzed by using the numerical code. Influence of the fiber type, buried depth, the interface stiffness, the interface thickness and adhesive length on the macro mechanical response of concrete will be discussed, and influence of dynamical parameters on the interface fracture, including distribution and evolution of stress, strain acoustic emission during failure process, will be numerically investigated. This study will provide beneficial advice on optimization design of fiber reinforced concrete structure to prevent fracture and predict its failure.

动力条件下纤维混凝土界面性能对材料的整体特性和损伤破坏有至关重要的影响，其破坏过程极其复杂，且采用三维模拟才能更加符合实际情况。本项目拟在落锤动力试验与霍普金森压杆冲击试验基础上，采用三维动力学有限元、细观损伤力学与并行计算方法，研究界面控制下纤维增强混凝土动态损伤破坏和增韧机理。通过采用各向异性薄层单元模型建立界面层单元，实现基于界面控制的纤维混凝土的动态损伤开裂精细数值计算模型，并在高性能服务器上开发相应的动态三维并行数值模拟方法，突破3亿自由度的计算模拟。模拟纤维混凝土在不同动力条件和界面性能条件下，结构内部界面损伤与脱落、构件裂纹萌生、扩展、贯通直至整体失效过程，分析纤维类型、埋置角度、界面厚度、界面粘接强度等对其宏观性能的影响，揭示动力参数与界面开裂规律之间的联系，包括应力场、变形场与声发射演化规律，为纤维增强混凝土结构破裂灾害预测预报和强韧化优化设计提供支持。

基于界面控制的动态纤维混凝土构件对于结构安全具有非常重要的研究意义。本项目在霍普金森压杆实验和落锤实验的基础上，采用各向异性薄层单元模型建立界面层单元，建立考虑应变率的混凝土动态强度准则，构建基于界面控制的纤维混凝土动态损伤破坏的数值计算模型，并在并行计算平台上实现了动态三维并行数值模拟分析，实现了3亿自由度的计算模拟。主要完成了下列工作：.（1）基于等效连续损伤理论方法，通过引入动态强度增强因子，采用各向异性薄层单元，构建OpenMP类库和超松弛预处理共轭梯度法的并行算法，实现混凝土材料动态变形破坏全过程的数值模拟分析。.（2）开展了混凝土单丝和双丝拉拔模拟的二维和三维动态数值模拟研究。分析了混凝土-纤维界面性能演化规律，分析界面弹性模量和强度、纤维埋深、双丝间距，以及加载速率等参量对试件破裂模式和力学性能的影响。.（3）分析界面强度和加载速率对钢筋混凝土梁力学性能的影响。模拟了三点和四点弯曲梁动态物理力学性能特征，实现了试件从裂纹萌生、扩展直至失稳破坏的全过程模拟。.（4）开展了混凝土平台巴西圆盘的霍普金森压杆冲击实验和三维数值模拟分析。研究预制双裂缝距离和夹角对试件主裂纹和次生裂纹萌生及扩展模式的影响，分析了加载速率和双缝夹角变化的破裂机理，研究了I型、II型裂纹与复合裂纹的破裂特征，并实现足尺寸大规模三维数值模型分析。.（5）开展了碳纤维增强复合材料（CFRP）增强钢筋混凝土梁（RC梁）冲击落锤试验与三维数值模拟分析。揭示CFRP粘贴长度、宽度、层数及落锤高度对CFRP-RC粘接界面的影响规律，阐明动载下CFRP-RC界面粘接的退化机理，研究CFRP-RC梁动态响应和破坏模式。.本研究的数值模拟方法克服了界面层单元在细观层次上的表达以及微破裂模拟困难，揭示了动载下基于界面控制的混凝土应变率效应，对于理解界面控制下纤维混凝土的动态损伤破裂机理，具有重要的参考意义。.通过4年研究基本完成研究任务，已发表标注基金资助号论文16篇，培养博士生2名、硕士生8名，参加学术会议10人次。