英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
外文资料翻译译文
纤维增强水泥复合材料破坏行为的零厚度界面模型公式
Antonio Caggiano Guillermo Etse , Enzo Martinelli
摘要 本文涉及通过在离散裂纹方法框架内制定的零厚度界面模型来模拟纤维增强水泥复合材料（FRCC）的机械响应。根据文献中普通混凝土的类似模型，界面元素的配方进一步开发和扩展，以捕获控制FRCC行为的关键机械现象。引入了一种原始方法来再现纤维对混凝土/砂浆基体的裂纹现象的复杂影响。 数值分析证明了所提出的模型的能力，并且与FRCC测试的实验结果表现出非常好的一致性。
关键词 复合材料 纤维增强混凝土 基于断裂的可塑性 混合理论 零厚度界面
1 介绍
水泥基材料如混凝土和大多数粘性介质的特点是在低限制和拉伸应力状态下具有低强度和脆性响应。这些缺点可以通过将短钢纤维随机添加到水泥砂浆中来减轻。纤维在提供开裂过程的后裂解过程中发挥着其抗裂相关作用。在这个意义上，纤维增强水泥复合材料（FRCC）可能导致即使在拉伸载荷的情况下也具有较小的脆性和可能的准延性行为，表现出具有多次裂纹的应变硬化过程，而在失效前具有较大的能量吸收。具有这些相关特征的复合材料则被称之为高性能纤维增强水泥复合材料（HPFRCC）[1]。
此外，在混凝土基体内扩散的纤维也会影响其耐久性，因为它们控制裂纹开口并减少混凝土腐蚀的扩散现象。
近年来，人们已经提出了数种测试方法和理论模型来研究FRCC的机械性能。 然而，大多数进行的实验分析和提出的本构理论集中在复合机械行为的一个或几个方面。 Fanella和Naaman 【2】提出了纤维增强砂浆在压缩过程中应力应变特性的可能表征。 他们提出了影响复合材料的应力-应变响应和韧性指数的关键复合参数（如纤维类型，体积分数等）的分析表达式。
Ezeldin和Balaguru 【3】和Barros和Figueiras [4]，分别进行了旨在调查压缩和张力的FRCC故障行为的实验测试。 Abrishami和Mitchell [5]提出了一种预测纤维对钢纤维增强混凝土（SFRC）引起的张力增强效应的方程。他们报道了裂纹后应力行为中纤维粘结强度的重要性和根本影响。文章【6,7】中基于以不同强度水平为特征的FRCC试样的直接剪切试验结果证明了纤维在强度和延展性方面的优点。关于FRCC的实力，Mirsayah和Banthia [8]提出了最终剪切强度的经验表达式。文章【9】中给出了FRCC在静态，动态或冲击载荷下抵抗断裂过程的能力。 文章[10]定义了三相弯曲梁下FRCC第一次裂纹的强度。在另一篇文章【11】中也给出了评估三点光束容量的另一种方案。
目前在科学文献中提供的模拟FRCC机械反应的本构模型可以根据它们的观察量表进行分类：
bull; 中观尺度模型：明确考虑了复合材料（即纤维，基体和粗聚集体及其界面）的不同因素之间的相互作用。本类的主要贡献来自于Cusatis等人[14]他们提出纤维分散在晶格离散粒子模型（LDPM）中的影响，以及其他文章[15-20]等。
bull; 宏观尺度模型：在这种情况下，FRCC理想地被认为是连续介质，并在模糊裂纹方法的理论框架内建模。 其中，胡等人 [21]提出了一个单一的光滑双轴故障表面的FRCC；Seow和Swaddiwudhipong [22]，引入了五参数故障标准的FRCC与直线和钩钢纤维；以及Minelli和Vecchio [23]，他们提出了一种基于压缩场理论修改的模型，值得一提。 其他相关贡献可以在文章[24,25]中找到。
bull; 结构尺度模型：这些模型基于一般的连续性方法，捕捉了由FRCC构成的结构构件的本质。结构尺度配方的典型范例是与横截面力矩对曲率或面板剪切力与横向位移有关的典型范例。 例如，用于FRCC结构的结构尺度配方由Stang和Olesen [26]和Lee和Barr [27]提出，其特征在于FRCC三点梁的完整载荷-挠度曲线以及Billington [28]提出一种用于对由延性FRCC制成的结构进行改造分析的配方。 关于FRCC梁的弯曲行为，可以在文章[29]中找到全面的总结，其中提出了基于关键裂纹断面的应力平衡的不同半分析模型。
bull; 多尺度模型：在这些模型中，考虑了不同尺度观测的耦合效应：即观测的微观，中观，宏观和结构尺度。这些方法的目的是开发一种有效的方法来模拟所考虑问题的内在多尺度和多物理性质[30,31]。
因此，模拟纤维对混凝土复合材料的影响主要取决于经典的连续模糊裂纹法。这包括纤维增强基体被认为是连续体的宏观尺度模型有关的大部分提案。 众所周知，用于模拟脆性材料（如混凝土）的古典或连续模型[32,33]，其特征在于定位带宽的FE尺寸依赖性强，因此。它们的损失结果有着客观性。相反，在离散裂纹方法（DCA）中，由于裂纹引起的位移场的不连续性直接代入有限元公式。 使用DCA的最有效的过程是基于界面原理的过程。 界面公式可能只包括牵引力分离规律[34-36]，或者最终也是基于更复杂的混合模式型断裂[37-40]的本构关系。
本文提出了一种新颖有前途的方法来解释混凝土复合材料和砂浆中的纤维效应。它是基于离散或固定的裂纹方法，并结合了纤维—砂浆相互作用的相关方面。在这个意义，该提案考虑到了粘合滑移和定影效应。
提出的FRCC界面模型是基于可塑性和断裂能概念的流动理论，以控制模式I和II在开裂过程中的能量释放。该模型是卡罗尔等人以前的混凝土界面配方的扩展。 文章[37][12,13]考虑到水泥/砂浆和钢纤维之间的相互作用。 这些纤维被认为嵌入在界面中。包含纤维粘结强度和穿过界面的纤维的定影效应的纤维—砂浆相互作用，通过Trusdell和Toupin [41]的混合理论隐含地纳入，遵循文章[42]中使用的方法。
为了简单起见，本模型用2D制定，如Lopez等人[12,13]在类似的建议中模拟了普通混凝土的断裂行为。特别地，他们表明，2D中获得的结果成功地在几个基本应力状态下再现了实验行为。此外，本文的数值验证表明了FRCC中提出的故障过程界面模型的预测能力。根据峰值强度，峰值后响应和延展性以及它们对纤维方向和内容的依赖性的结果是现实的，并且准确地再现了FRCC故障行为的最相关特征。
本文提出的界面模型可以用于模拟可能在砂浆和砂浆—聚集体界面发展的破坏过程的介观分析（图1）。应该指出，正如许多作者广泛讨论的，如 Lopez [43]和Kaczmarczyk和Pearce [44]，基于非适应网格的混凝土混合物的介观分析，如图1所示，需要足够精细的离散度以避免网格依赖。 作为一个原则，所提出的界面公式也可以用于更一般的微元素模型，其模型是模拟FRCC和类似的准脆性材料的其他可能的故障模式。然而，这一方面超出了本文的研究范围，并且可能在未来的研究发展中得到解决。
最后，应该指出，本文提出的基于离散裂纹方法和界面元素建立FRCC故障行为的策略可以直接扩展到其他众所周知的数字技术。在这方面，具有附加自由度的FE [45,46]（具有嵌入不连续性的FE称为E-FEM）或附加节点自由度[47,48]（X-FEM）可以被认为是替代数字 FRCC建模框架。也可以将本文中针对FRCC的策略结合的其他有趣程序是所谓的晶格模型[49,50]，基于粒子的配方[51,52]，无元素Galerkin [53,54]，以及文章[44]中基于混合Trefftz应力的公式。
图1.（a）.界面的FE离散化[12,13]6x6离散化排列 （b）.矩阵 （c）.粗略集合 (d).界面
2 FRCC界面本构模型
基于混合理论的FRCC界面的本构模型包括以下列出的三个内部“组件”：
bull; 平面砂浆/混凝土界面的断裂能量可塑性配方涉及正常和切向应力分量与界面中相应的相对位移。 最大强度标准由Carol等人的三参数双曲失效面定义[37]。 第3节总结了该模型的主要特征。
bull; 纤维粘合剂配方，用于描述穿过界面的钢纤维的单轴非弹性行为，如第4节所示的弹塑性模型。
bull; 基于弹性基础概念的纤维定位器作用的配方，以获得定位力—位移关系。本构模型详见第5节。
2.1 混合理论概述
根据文章[41]中制定的混合理论的基本假设，混合物的每个无穷小体积理想地同时被所有混合组分（即“相”）占据，这些组分经受相同的位移场。 因此，通过加入由每个混合组分的体积分数加权的混合应力获得复合应力。
我们考虑在界面u处的通用相对位移矢量，单个光纤的轴向位移（nN是光纤方向）由给出，而在横向方向。 因此，nT是与nN正交的整数向量。因此，轴向和切向纤维应变可以分别被导出为N = uN / lf和T = uT / lf，如纤维长度（理想地，假设每根纤维在中间长度处穿过界面断裂面，即在lf/ 2）。
界面本构模型以递增形式表示，通常假定为可塑性流动理论。根据复合模型的假设，界面处应力矢量的速率为（和分别为正态和切向界面应力）通过以下公式加权和计算。
（1）
指标i和f分别是指界面和纤维;和表示单纤维的粘合力和定影效应; 是穿过界面的纤维数量。普通界面的加权函数通常被认为是一体的，而随着光纤含量的增加，考虑了光纤对总应力的贡献的有效衰减。它可以配制成总纤维含量的函数，
（2）
是单个加强件的纤维含量，而是待校准的材料参数。
复合界面模型的增量应力—位移关系可以表示为紧凑形式
（3）
其中组成切线矩阵由下式给出
（4）
其中是平面砂浆界面的切线矩阵，而和是对应于粘合滑移和定位的标量切线算符 1-D型号。
- 断裂能量平原砂浆/混凝土界面模型
本节总结了文章【55】中最初在土力学中应用并被Carol等人扩展到普通混凝土的界面模型[37]。在速率独立可塑性理论的框架下，本构方程可以用速率格式表示
（5）
（6）
（7）
其中是相对关节位移矢量的速率，分别分解为弹性和塑性分量和。C定义了完全非耦合的正切/切向弹性刚度矩阵
（8）
并且是在界面坐标中定义的增量应力矢量，分别是和的法向和剪切分量。
根据非相关流量规则，塑性位移速率的向量定义为
（9）
其中是通过Kuhn-Tucker负载/卸载条件得到的非负塑性乘数，其采用以下定义 （10）
其中是双曲线，其基于以下三参数公式来定义模型的屈服条件：
. （11）
抗拉强度（双曲线的顶点），内聚力和摩擦角，是识别界面模型所需的材料参数。等式（11）概述了两种主要的失效模式：
模式I断裂类型：沿其水平轴线达到最大强度表面;
渐近模式II型断裂：其渐近区域达到最大强度表面，双曲线接近莫尔-库仑标准（见图2）。
等式（9）描述
全文共21405字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[144072]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
