基于 SPH 的含随机多边形骨料混凝土单轴压缩数值模拟

《Scientific Reports》：SPH-based numerical simulation of uniaxial compression of concrete with random polygonal aggregates

　　

摘要

随机多边形骨料代表了混凝土细观结构中骨料最真实的形态。其棱角特征和空间分布对混凝土单轴压缩下的应力集中、裂缝萌生及平面结构响应起着决定性作用。因此，深入研究这一主题对于揭示混凝土宏观力学行为的基本机理至关重要。为此，本文提出了一种基于光滑粒子流体动力学（SPH）的混凝土单轴压缩破坏模拟方法，并开发了随机多边形骨料的专用颗粒生成程序。该方法采用具有拉伸截断的Mohr-Coulomb准则作为失效准则，并引入改进的光滑核函数以准确模拟裂缝的自发萌生与扩展。在骨料建模方面，采用分离轴定理和射线投射法实现了满足几何约束的随机多边形骨料的自动生成及颗粒属性的精确分类。通过三组对比数值算例，系统研究了骨料数量（30、40、50）、粒径范围（4–8 mm、4–10 mm、4–12 mm）以及有效弱界面过渡区（EWIZ）宽度（0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm）对混凝土二维平面应变破坏模式的影响。结果表明，骨料密度的增加或粒径范围的扩大增强了该二维模拟框架下材料的脆性，促使二维模拟的平面破坏模式从"局部剪切"向"弥散开裂"转变。相比之下，界面过渡区厚度的增加诱导二维模拟的平面应变破坏模式发生类似的转变，即从"局部剪切"向"弥散开裂"转变，同时降低峰值应力并增加峰值应变，从而显著增强了二维数值系统中材料的延性。与现有结果的对比验证表明，二维模拟的破坏形态与裂缝演化具有良好的一致性。值得注意的是，模拟的二维破坏模式不能直接等同于混凝土真实三维破坏形态，但该分类有效反映了统一数值条件下细观损伤的集中与弥散规律，可为参数对比分析提供支撑。本研究为不规则骨料混凝土的二维细观力学定性分析提供了高效的建模方法与理论支持，但其定量结论在未进一步修正的情况下不能直接外推至三维结构构件。