本發(fā)明屬于數(shù)據(jù)信號模擬，具體涉及一種ecc與混凝土層合結(jié)構(gòu)疲勞破壞的數(shù)值模擬方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、ecc(纖維增強水泥基復(fù)合材料)材料具有顯著的應(yīng)變硬化特征、高延性和耐久性等特點，使得它作為防護加固材料在受到?jīng)_擊、疲勞等荷載時具有廣闊的前景。加固修復(fù)材料的延性和抗裂能力是其性能的重要指標(biāo)，它們與加固效果密切相關(guān)。與此同時，加固修復(fù)材料與原混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)性能是保證ecc與混凝土組合結(jié)構(gòu)整體性能和使用壽命的關(guān)鍵。為了使ecc在既有混凝土修復(fù)與加固方面發(fā)揮巨大作用，需要對ecc與混凝土之間的界面進行重點研究。

2、近場動力學(xué)理論(peridynamics,pd)最初是在2000年由美國sandia實驗室的silling博士提出的。近場動力學(xué)是對傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的一種重構(gòu)方法。它通過使用空間積分的形式重新表述平衡方程，解決了在不連續(xù)區(qū)域附近求解微分形式平衡方程的難題。相比于傳統(tǒng)方法，近場動力學(xué)的優(yōu)點在于它不依賴于網(wǎng)格劃分。該方法成功地克服了模擬裂紋時尖端奇異性的難題，因此在破壞問題的研究中適用性很強，可用于模擬裂紋的動態(tài)擴展。

3、目前已有許多試驗和理論分析對于ecc與混凝土界面的失效破壞進行分析研究，這些研究主要集中在準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下的ecc與混凝土層合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究，而對動荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)研究較少。由于傳統(tǒng)數(shù)值方法難以模擬雙材料界面裂紋擴展問題，近場動力學(xué)理論在描述不連續(xù)問題上的優(yōu)勢顯著。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種ecc與混凝土層合結(jié)構(gòu)疲勞破壞的數(shù)值模擬方法及系統(tǒng)，用于研究ecc與混凝土界面的失效行為。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

3、一種ecc與混凝土層合結(jié)構(gòu)疲勞破壞的數(shù)值模擬方法，包括以下步驟：

4、s1：獲取ecc與混凝土層合結(jié)構(gòu)目標(biāo)構(gòu)件的參數(shù)信息；

5、s2：基于目標(biāo)構(gòu)件的所述參數(shù)信息以及空間拓撲關(guān)系，利用全離散思想建立目標(biāo)構(gòu)件的幾何模型；

6、s3：在計算域?qū)λ鰩缀文Ｐ瓦M行離散，基于全離散模型和材料疲勞破壞過程的近場動力學(xué)理論，建立ecc與混凝土層合結(jié)構(gòu)的近場動力學(xué)全離散疲勞裂紋模型；

7、s4：基于所述近場動力學(xué)全離散疲勞裂紋模型，進行ecc與混凝土層合結(jié)構(gòu)疲勞破壞的數(shù)值模擬，獲得最終數(shù)值模擬結(jié)果。

8、優(yōu)選的，步驟s2中，利用全離散思想建立目標(biāo)構(gòu)件的幾何模型的方法為：

9、基于目標(biāo)構(gòu)件的所述參數(shù)信息以及空間拓撲關(guān)系，利用全離散建模方法對ecc進行建模，獲得離散化的纖維和水泥基體；

10、基于全離散模型，分別對所述纖維以及所述水泥基體單獨建模，獲得纖維模型以及水泥基體模型；

11、基于所述纖維模型以及所述水泥基體模型，獲得纖維-基體相互作用模型；

12、基于所述纖維-基體相互作用模型，進行ecc與混凝土的界面建模，獲得目標(biāo)構(gòu)件的所述幾何模型。

13、優(yōu)選的，步驟s3中，建立ecc與混凝土層合結(jié)構(gòu)的近場動力學(xué)全離散疲勞裂紋模型的方法為：

14、在計算域?qū)λ鰩缀文Ｐ瓦M行離散，獲得等間距的物質(zhì)點；所述物質(zhì)點包括纖維物質(zhì)點和基體物質(zhì)點；

15、基于離散后的幾何模型，獲得所述目標(biāo)構(gòu)件在疲勞破壞下物質(zhì)點的斷鍵準(zhǔn)則；

16、基于所述斷鍵準(zhǔn)則，獲得材料參數(shù)；其中，所述纖維物質(zhì)點之間為纖維鍵，所述基體物質(zhì)點之間為基體鍵，所述纖維物質(zhì)點與所述基體物質(zhì)點之間為界面鍵；

17、引入循環(huán)荷載模型，基于所述材料參數(shù)及離散物質(zhì)點模型，通過循環(huán)加載計算模擬目標(biāo)構(gòu)件在疲勞條件下的斷裂過程，完成ecc與混凝土層合結(jié)構(gòu)的近場動力學(xué)全離散疲勞裂紋模型的建立。

18、優(yōu)選的，基于所述斷鍵準(zhǔn)則，獲得材料參數(shù)的方法為：

19、基于單次循環(huán)荷載下鍵拉伸量的最大值和最小值,獲得單次循環(huán)荷載下鍵的循環(huán)應(yīng)變量；

20、基于所述循環(huán)應(yīng)變量以及加載循環(huán)次數(shù)，獲得鍵的剩余壽命；

21、基于所述鍵的剩余壽命以及物質(zhì)點的損傷值，進行裂紋萌生階段壽命和裂紋擴展階段壽命的分析，獲得疲勞裂紋的斷鍵過程中裂紋萌生階段和裂紋擴展階段的斷鍵準(zhǔn)則；

22、基于疲勞裂紋的斷鍵過程中裂紋萌生階段和裂紋擴展階段的斷鍵準(zhǔn)則，獲得疲勞裂紋的斷鍵過程中裂紋萌生階段和裂紋擴展階段的材料參數(shù)。

23、優(yōu)選的，步驟s4中，進行ecc與混凝土層合結(jié)構(gòu)疲勞破壞的數(shù)值模擬的方法為：

24、s41：獲取幾何模型的參數(shù)信息，將所述幾何模型離散并創(chuàng)建物質(zhì)點；

25、s42：基于需要預(yù)設(shè)裂紋，通過去除穿過預(yù)設(shè)裂紋的近場動力學(xué)相互作用鍵形成初始裂紋，采用自適應(yīng)動態(tài)松弛算法構(gòu)建虛擬質(zhì)量矩陣，并對所有物質(zhì)點施加初始條件，獲得初始模型；

26、s43：基于初始模型以及載荷條件，引入循環(huán)塊，一次循環(huán)加載后，求得準(zhǔn)靜態(tài)解，并基于所述準(zhǔn)靜態(tài)解進行裂紋萌生階段和裂紋擴展階段的判斷；其中，所述準(zhǔn)靜態(tài)解包括所述物質(zhì)點的位移、鍵應(yīng)變和鍵的損傷值；

27、s44：在所述裂紋萌生階段，若所述鍵應(yīng)變大于臨界鍵應(yīng)變s0，經(jīng)過循環(huán)加載步長δn后，計算累積損傷值；否則根據(jù)鍵的損傷演化模型，經(jīng)過一次循環(huán)加載后更新當(dāng)前循環(huán)次數(shù)所對應(yīng)的損傷變量d和受損微彈模量的值計算損傷值，基于所述損傷值進行裂紋狀態(tài)的評估；

28、s45：在所述裂紋擴展階段，若鍵應(yīng)變大于臨界鍵應(yīng)變s0，則此鍵立即失效，代表裂紋開始擴展；反之則根據(jù)近場動力學(xué)全離散疲勞裂紋模型計算經(jīng)過循環(huán)加載步長δn次后鍵的剩余壽命λ，破壞所有滿足λ<0的鍵；

29、s46：重復(fù)步驟s43-s45進行下一個循環(huán)加載步長δn的計算，求解準(zhǔn)靜態(tài)解，若所述準(zhǔn)靜態(tài)解滿足預(yù)設(shè)要求，則停止循環(huán)，完成ecc與混凝土層合結(jié)構(gòu)疲勞破壞的數(shù)值模擬，獲得最終數(shù)值模擬結(jié)果。

30、本發(fā)明還提供一種ecc與混凝土層合結(jié)構(gòu)疲勞破壞的數(shù)值模擬系統(tǒng)，用于實現(xiàn)所述數(shù)值模擬方法，包括：

31、參數(shù)信息獲取模塊，用于獲取ecc與混凝土層合結(jié)構(gòu)目標(biāo)構(gòu)件的參數(shù)信息；

32、幾何模型構(gòu)建模塊，用于基于目標(biāo)構(gòu)件的所述參數(shù)信息以及空間拓撲關(guān)系，利用全離散思想建立目標(biāo)構(gòu)件的幾何模型；

33、疲勞裂紋模型構(gòu)建模塊，在計算域?qū)λ鰩缀文Ｐ瓦M行離散，基于全離散模型和材料疲勞破壞過程的近場動力學(xué)理論，建立ecc與混凝土層合結(jié)構(gòu)的近場動力學(xué)全離散疲勞裂紋模型；

34、數(shù)值模擬模塊，用于基于所述近場動力學(xué)全離散疲勞裂紋模型，進行ecc與混凝土層合結(jié)構(gòu)疲勞破壞的數(shù)值模擬，獲得最終數(shù)值模擬結(jié)果。

35、優(yōu)選的，所述幾何模型構(gòu)建模塊包括：

36、ecc建模單元，用于基于目標(biāo)構(gòu)件的所述參數(shù)信息以及空間拓撲關(guān)系，利用全離散建模方法對ecc進行建模，獲得離散化的纖維和水泥基體；

37、離散建模單元，用于基于全離散模型，分別對所述纖維以及所述水泥基體單獨建模，獲得纖維模型以及水泥基體模型；

38、纖維-基體建模單元，用于基于所述纖維模型以及所述水泥基體模型，獲得纖維-基體相互作用模型；

39、界面建模單元，用于基于所述纖維-基體相互作用模型，進行ecc與混凝土的界面建模，獲得目標(biāo)構(gòu)件的所述幾何模型。

40、優(yōu)選的，所述疲勞裂紋模型構(gòu)建模塊包括：

41、離散單元，用于在計算域?qū)λ鰩缀文Ｐ瓦M行離散，獲得等間距的物質(zhì)點；所述物質(zhì)點包括纖維物質(zhì)點和基體物質(zhì)點；

42、斷鍵準(zhǔn)則獲取單元，用于基于離散后的幾何模型，獲得所述目標(biāo)構(gòu)件在疲勞破壞下物質(zhì)點的斷鍵準(zhǔn)則；

43、材料參數(shù)獲取單元，用于基于所述斷鍵準(zhǔn)則，獲得材料參數(shù)；其中，所述纖維物質(zhì)點之間為纖維鍵，所述基體物質(zhì)點之間為基體鍵，所述纖維物質(zhì)點與所述基體物質(zhì)點之間為界面鍵；

44、模型建立單元，用于引入循環(huán)荷載模型，基于所述材料參數(shù)及離散物質(zhì)點模型，通過循環(huán)加載計算模擬目標(biāo)構(gòu)件在疲勞條件下的斷裂過程，完成ecc與混凝土層合結(jié)構(gòu)的近場動力學(xué)全離散疲勞裂紋模型的建立。

45、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明具有較好的可靠性和精確性，能夠較好的進行疲勞破壞數(shù)值模擬。全離散模型更真實地描述纖維的行為以及反映纖維與基體之間的相互作用，在疲勞模型中模型引入了新的損傷變量和循環(huán)塊的概念，能夠更加準(zhǔn)確地描述材料的疲勞壽命和損傷積累過程，對于深入了解層合結(jié)構(gòu)在疲勞斷裂過程中的性能具有一定意義，同時對于提高層合結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能也有參考價值。