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摘 要

界面过渡区是混凝土中最薄弱的部分，为了解决混凝土耐久性的问题，必然要从界面过渡区入手。本文以界面过渡区为研究对象，使用扩展有限元(XFEM)模拟探究界面过渡区对混凝土变形的影响。

在Matlab平台上编写相关扩展有限元程序，并使用该XFEM程序模拟单一骨料的混凝土在不同条件的情况下的位移和应力情况，分析界面过渡区对变形的影响。

当改变砂浆的弹性模量时，会影响界面过渡区的变形；而改变骨料和ITZ的弹性模量基本不会对界面过渡区的结点变形造成影响；改变外加荷载的大小也会影响界面过渡区结点的变形；改变ITZ厚度也不影响界面过渡区结点的变形。

实际上，ITZ弹性模量和厚度的变化会对界面过渡区上结点的变形造成影响，而计算结果却与之相反。因为在程序中假设结点的位移和应力为单元内部的平均位移和应力，导致了在不同ITZ弹性模量和厚度影响条件下，发现模拟结果和实际存在差距。

关键词：界面过渡区；变形；扩展有限元；数值模拟

Abstract

Interface transition zone is the weakest part of the concrete，in order to solve the problem of concrete durability,we must do research on interface transition zone.Based on the interfacetransition zone as the research direction,I use the extended finite element simulation to explore the influence of deformation of concrete interface transition zone.

Write relevant extension finite element program on the Matlab platform,then use the program simulation of single aggregate concrete under the condition of the different conditions of displacement and stress conditions ,in the end, analyze the effect of interface transition zone of deformation.

It affects the performance of interface transition zone when changing the elastic modulus of mortar.then changing the aggregate and ITZ elastic modulus of the basic will not affect interface transition zone;Changing the load will also affect the interface transition zone;Changing the ITZ thickness don't influence the deformation of interface transition zone.

In fact,changing the elastic modulus and thickness of the ITZ will affect deformation ofinterface transition zone on the node, and the calculation result is in contrast;Because it inprogram assumes that the node displacement and stress as a unit of the displacement and stress on average, led to the different thickness of ITZ elastic modulus and impact conditions,different of the theory.

Key words: Interfacial transition zone;The deformation;Extended finite element;The numerical simulation

目录

摘要 1

Abstract 2

第一章绪论 5

1.1引言 5

1.2界面过渡区的表征研究方法 6

1.2.1宏观技术 6

1.2.2微观技术 6

1.3有限元模拟界面方法 7

1.3.1多尺度有限元法 7

1.3.2骨料膨胀法 7

1.3.3扩展有限元法 8

1.4本文的主要研究内容 8

第二章 扩展有限元基本理论 9

2.1引言 9

2.2 XFEM基本理论 9

2.2.1水平集法对夹杂的描述 9

2.2.2水平集法对裂纹的描述 10

2.3 XFEM程序的关键步骤 11

2.3.1确定改进单元和结点 11

2.3.2单元的分解和网格重构 12

2.4 XFEM的程序设计 13

第三章 数值算例及分析 14

3.1基本模型的建立和XFEM数值模拟 14

3.1.1模型建立 14

3.1.2 网格划分 15

3.1.3模拟结果 15

3.2材料特性差异的影响 19

3.2.1砂浆基体弹性模量的影响 19

3.2.2骨料弹性模量的影响 21

3.2.3 ITZ弹性模量的影响 22

3.3几何条件差异的影响 23

3.3.1ITZ厚度的差异 23

3.4外加荷载的大小影响 25

3.4.1外加荷载为压力 25

3.4.2外加荷载为拉力 26

3.5本章小结 27

第四章 研究总结和展望 27

4.1研究总结 27

4.2展望 28

参考文献 28

第一章绪论

1.1引言

在人类文明的历史长河中，每一种新材料的发现，每一项新材料技术的应用，都会给社会生产和人类生活带来巨大改变，推动人类社会前进。从石器时代到后来的青铜时代，从铁器时代到现在的新型材料时代。人类文明的发展史，就是一部利用材料、制造材料和创造材料的历史。

混凝土—这种目前世界上用量最大也是现代土木工程必不可少的建筑材料。混凝土和我们的生活息息相关，现代城市的建立离不开混凝土的大量使用。原材料来源广、能浇筑成任意形状、坚固耐用等特点让混凝土广泛用于道路、桥梁、隧道以及各种工业建筑中。可以说，钢筋混凝土造就了现在生活的城市。

混凝土并不是一种天然的建筑材料，它是由胶凝材料水泥和砂石、水以一定的比例混合成型，并且经过一定时间的养护而成的人造建筑材料。它也被人称做人工石材^[1]的基本都不是素混凝土，而是在混凝土里面加了受力钢筋的混凝土，称之为钢筋混凝土。

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