PFC3D模拟含纤维混凝土材料单轴压缩破坏

PFC3D含纤维混凝土材料单轴压缩破坏模拟去年在实验室折腾PFC3D模拟含纤维混凝土压缩破坏的时候发现这玩意儿真是让人又爱又恨。纤维像调皮的孩子在混凝土基体里各种搞事情今天就跟大家唠唠这个微观破坏现场的观察日记。先说说怎么在PFC里造纤维混凝土。离散元方法最有趣的就是能看到每个颗粒的运动轨迹这里的关键在于纤维和基体的接触建模。下面这段生成纤维的代码让我熬了两个通宵; 纤维生成核心代码 fish define create_fiber loop local i (1,fiber_num) fiber_radius 0.15 ; 纤维半径 fiber_length 3.0 ; 纤维长度 start_pos vector(math.random.range(-10,10), math.random.range(-10,10), math.random.range(-10,10)) end_pos vector(math.random.range(-10,10)fiber_length, math.random.range(-10,10), ...) fiber_id ball.generate(start_pos, end_pos, fiber_radius, 1.0) ball.group(fiber_id) fiber endloop end这代码里的math.random.range可不是随便写的要保证纤维在空间中的随机分布同时不发生重叠。特别是纤维长度参数实测发现当纤维长度超过颗粒直径5倍时计算结果就开始抽风——就像把筷子插进豆腐里结果筷子自己先断了。粘结模型的选择直接关系到裂缝怎么长。我比较喜欢用平行粘结模型毕竟能模拟胶结物的断裂过程。设置粘结强度时有个小技巧contact.prop pb_ten 5e6 ; 抗拉强度 contact.prop pb_coh 8e6 ; 粘结强度 contact.prop pb_fa 35 ; 摩擦角这几个参数不能闭着眼睛填得配合实验室的劈裂试验数据反演。有次把粘结强度设高了结果试件像被502胶水黏住似的压到10%应变都不开裂被导师笑称造出了振金混凝土。PFC3D含纤维混凝土材料单轴压缩破坏模拟最惊艳的还是破坏过程的可视化。当荷载达到峰值应力的70%时基体颗粒开始玩多米诺骨牌裂缝沿着纤维边缘蛇形走位。这时候纤维就像微型钢筋硬生生把裂缝掰成Z字形。有个特别有意思的现象——当纤维方向与主应力方向夹角大于45度时经常能看到纤维被拔萝卜似的从基体里抽出来这时候接触力会突然有个脉冲式的波动。调试参数时踩过最大的坑是纤维含量。当体积掺量超过2%时计算时间呈指数增长我的工作站风扇转得像是要起飞。后来发现把纤维接触的刚度比调整为基体的1.2倍既能保证计算稳定性又能准确反映纤维的增强效果。不过要记得每隔50个时步检查一次接触对不然有些纤维会穿模跑出试件边界。跑完模拟最大的收获是发现纤维混凝土的破坏根本不是啪的一下断开而是像慢镜头里的玻璃碎裂——先是一堆微裂纹在纤维末端萌生然后这些裂纹像贪吃蛇一样互相吞并最后形成几条主裂缝把试件分成好几瓣。这种细观尺度的观察可比实验室的应力-应变曲线有趣多了。