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前言 1

第1章 绪论 1

1.1 大坝抗震安全评价的研究意义 1

1.2 高拱坝地震动输入的发展概况 3

1.2.1 设计峰值加速度和反应谱 3

1.2.2 输入地震加速度时程 4

1.2.3 高拱坝的抗震功能设计 4

1.3 高拱坝抗震设计的进展 6

1.4 全级配大坝混凝土动态性能研究动态 7

1.5 小结 10

第2章 大坝混凝土动态性能试验分析 11

2.1 混凝土的动态性能 11

2.1.1 混凝土动强度试验分析 12

2.1.2 应变率对混凝土变形特性的影响 16

2.1.3 预静载对混凝土动态强度的影响 18

2.2 大坝混凝土动态特性试验研究现状及分析 21

2.2.1 全级配混凝土动态抗压特性试验分析 23

2.2.1.1 全级配混凝土动态抗压强度 23

2.2.1.2 全级配混凝土动态抗压弹性模量和泊松比 24

2.2.2 全级配混凝土动态弯拉特性试验分析 25

2.2.2.1 全级配混凝土动态弯拉强度 25

2.2.2.2 全级配混凝土动态弯拉弹性模量和泊松比 26

2.3 预静载对混凝土弯拉强度强化规律的试验印证 26

2.4 小结 29

第3章 混凝土率效应机理研究 30

3.1 混凝土材料微观结构及率效应基本规律 30

3.1.1 混凝土材料微观结构 30

3.1.2 混凝土率效应基本规律 30

3.2 不同应变率下混凝土微裂缝扩展形态 31

3.3 自由水对率效应的影响 33

3.4 蠕变效应 37

3.5 Stefan效应 38

3.6 惯性效应 39

3.6.1 率效应过渡区 39

3.6.2 损伤滞后效应 40

3.7 损伤滞后效应的AE试验观测分析 45

3.8 热活化及声子阻尼机制 47

3.9 小结 49

第4章 混凝土损伤力学理论 50

4.1 混凝土材料变形特征及破坏性状 50

4.2 混凝土损伤力学的发展 51

4.3 混凝土损伤力学基本概念 52

4.3.1 损伤及损伤变量 53

4.3.1.1 标量损伤变量 53

4.3.1.2 矢量损伤变量 54

4.3.1.3 张量损伤变量 54

4.3.2 有效应力 55

4.3.3 热力学基本公式 56

4.3.4 损伤演化方程 57

4.3.5 等效假定 58

4.3.5.1 应力等效假定 58

4.3.5.2 应变等效假定 58

4.3.5.3 能量等效假定 59

4.4 混凝土损伤模型 60

4.4.1 混凝土物理损伤机理 60

4.4.2 应力张量及自由能势分解 61

4.4.3 弹塑性损伤模型 62

4.4.3.1 混凝土的损伤准则 63

4.4.3.2 混凝土的损伤演化法则 63

4.4.3.3 塑性变形 64

4.4.4 Mazars弹性损伤模型 64

4.4.4.1 标量损伤模型 64

4.4.4.2 单向损伤模型 65

4.4.5 率相关损伤模型 66

4.5 小结 68

第5章 大坝混凝土细观力学方法 69

5.1 混凝土材料的细观尺度 69

5.2 细观力学方法及任务 70

5.3 细观力学数值方法 71

5.3.1 混凝土细观损伤力学数值方法 71

5.3.2 格构模型 72

5.3.3 随机力学特性模型（RPM） 73

5.3.4 随机骨料模型（RAM） 74

5.3.5 随机骨料随机参数模型（RARPM） 75

5.4 细观力学试验方法 76

5.4.1 声发射试验方法 77

5.4.1.1 声发射工作原理 77

5.4.1.2 声发射试验的优点 78

5.4.2 CT图像扫描技术 79

5.4.2.1 X射线岩石CT和方法 79

5.4.2.2 X射线混凝土CT研究现状 79

5.5 小结 80

第6章 混凝土细观随机骨料模型生成方法 81

6.1 混凝土粗骨料的颗粒级配 81

6.2 蒙特卡罗方法与随机数 82

6.2.1 蒙特卡罗方法 82

6.2.2 随机数的产生 82

6.2.3 给定分布下变量随机数的生成 83

6.2.3.1 正态分布 83

6.2.3.2 对数正态分布 84

6.2.3.3 Weibull分布 84

6.3 二维随机骨料模型 85

6.3.1 瓦拉文公式 85

6.3.2 确定骨料颗粒数 86

6.3.3 富勒曲线与常用级配 87

6.3.4 随机骨料分布 88

6.3.5 圆形骨料模型生成程序 89

6.3.6 凸多边形随机骨料模型 89

6.3.6.1 基本算法 90

6.3.6.2 凸多边形骨料的生成 91

6.4 三维随机骨料模型 92

6.4.1 “被占区域剔除”法 93

6.4.2 球形随机骨料模型生成程序 94

6.4.3 随机凸多面体骨料模型 94

6.4.3.1 点侵入凸体空间的判别准则 94

6.4.3.2 三维空间两个三角形的相交检测 95

6.4.3.3 多面体随机骨料的生成 96

6.4.4 粒径连续分布的随机骨料模型 98

6.5 随机骨料模型的可视化方法 99

6.5.1 调用并控制Matlab 100

6.5.2 调用FORTRAN 101

6.6 小结 103

第7章 混凝土细观有限元网格剖分 104

7.1 有限元网格剖分方法概述 104

7.2 基于边界拟合坐标变换的有限元网格剖分方法 105

7.2.1 边界拟合坐标变换理论 105

7.2.2 差分点编码向有限元编码的转换 107

7.2.2.1 网格点类型定义 107

7.2.2.2 边界拟合坐标向结点码和单元码的转换技巧 107

7.2.3 单元剖分实例和剖分程序特点 108

7.3 圆形随机骨料模型网格自动剖分 109

7.3.1 圆形骨料模型细观网格剖分程序 109

7.3.2 网格视图程序 110

7.3.3 损伤单元视图程序 110

7.4 凸多边形骨料网格剖分 111

7.5 球形骨料模型有限元网格剖分程序 112

7.6 凸多面体骨料模型细观有限元剖分 113

7.7 利用GID显示单元视图 116

7.8 随机骨料模型的Delaunay三角剖分法 117

7.8.1 Delaunay三角剖分法（DTM） 117

7.8.2 随机骨料模型的网格剖分及网格优化 119

7.9 小结 120

第8章 混凝土试件损伤破坏数值模拟有限元方程 122

8.1 数值模拟研究的意义和主要内容 122

8.2 混凝土材料率效应强化关系 122

8.3 混凝土本构关系及损伤演化模型 124

8.3.1 混凝土的细观损伤机理 124

8.3.2 混凝土的细观损伤演化模型 124

8.4 混凝土损伤破坏数值模拟的基本方程 126

8.4.1 静力学方程 126

8.4.2 动力学方程 127

8.4.3 阻尼的计算 128

8.4.4 数值求解过程 128

8.4.4.1 静力方程求解步骤 128

8.4.4.2 有预静载的动力方程求解步骤 129

8.5 数值方法程序设计 130

8.6 静动力系统方程的弱解张量形式 132

8.6.1 静力平衡方程 132

8.6.1.1 方程的增量形式 132

8.6.1.2 方程的弱解形式 133

8.6.2 有预静载的动力方程 134

8.6.2.1 有预静载的动力学增量方程 134

8.6.2.2 有限元增量方程弱解形式 135

8.7 混凝土材料强化参数的物理意义 136

8.8 小结 139

第9章 混凝土试件细观结构的数值模拟 141

9.1 模型及其参数的选取 141

9.2 立方体试件受压数值试验 142

9.2.1 随机骨料分布的影响 142

9.2.2 有限元单元尺寸的影响 143

9.2.3 试件尺寸的影响 143

9.2.4 裂缝扩展分析 144

9.3 全级配混凝土弯折数值试验 144

9.3.1 界面强度的影响 145

9.3.2 固化水泥砂浆强度的影响 145

9.3.3 损伤演化方程参数的影响 146

9.3.4 试件裂缝扩展分析 146

9.4 小结 147

第10章 应变率效应对混凝土动弯强度的影响 148

10.1 混凝土率效应的成因 148

10.2 数值计算模型 148

10.2.1 参数取值 149

10.2.2 计算模型 149

10.3 数值计算结果分析 150

10.3.1 加载速率对动弯强度的影响 150

10.3.2 初始预静载对动弯拉强度的影响 151

10.3.3 混凝土应变率敏感性对动弯拉强度的影响 152

10.3.3.1 H1和HE对动弯拉强度的影响 152

10.3.3.2 HE取固定值时H1对动弯拉强度的影响 153

10.3.3.3 H1取固定值时HE对动弯拉强度的影响 154

10.4 小结 154

第11章 混凝土材料不均匀性对其动弯强度的影响 156

11.1 问题的提出及不均匀性描述 156

11.1.1 问题的提出 156

11.1.2 不均匀性描述 156

11.1.3 随机骨料随机参数模型（RAPM） 157

11.2 细观模型程序的验证 158

11.3 力学参数离散性对动弯拉强度的影响 159

11.3.1 数值模型 159

11.3.2 湿筛混凝土试件的细观分析 160

11.4 混凝土级配对动弯拉强度的影响 161

11.5 细观剖分区域的选取对计算结果的影响 162

11.6 混凝土试件静动综合弯拉细观破坏机理 163

11.7 骨料形态对混凝土弯拉强度的影响 166

11.7.1 模型参数取值 166

11.7.2 不同混凝土细观模型数值试验对比 166

11.7.2.1 全级配混凝土试件弯拉破坏计算分析 166

11.7.2.2 湿筛混凝土试件弯拉破坏计算分析 168

11.8 小结 169

第12章 大坝混凝土三维细观力学数值模型研究 171

12.1 引言 171

12.2 三维细观力学数值分析程序的结构特点 171

12.3 湿筛试件三维细观弯拉数值试验 173

12.4 多尺度算法预测混凝土材料参数的方法 177

12.4.1 多尺度算法基本理论 177

12.4.2 基于双尺度方法的多尺度算法 182

12.4.3 多尺度算法在全级配混凝土细观参数预测中的应用 184

12.5 全级配混凝土试件细观弯拉数值模拟 186

12.5.1 小骨料的“熔化” 186

12.5.2 三级配混凝土试件细观弯拉数值试验 187

12.6 小结 188

第13章 三维细观数值模型并行计算研究 189

13.1 引言 189

13.2 并行计算的基本思想 190

13.2.1 并行计算机 190

13.2.2 有限元的并行计算方法 190

13.3 算法改进与程序优化技术 191

13.3.1 稀疏线性方程组的高效求解算法 192

13.3.2 整体刚度矩阵的高效装配算法 193

13.3.3 程序代码的优化 194

13.3.4 程序代码优化后的数值模拟试验 195

13.4 并行算法设计的整体方案 197

13.5 核心问题的并行算法设计 198

13.5.1 刚度矩阵装配的并行算法 198

13.5.2 稀疏矩阵与向量相乘的并行算法 200

13.5.3 双门槛不完全Cholesky分解的并行算法 200

13.5.4 稀疏向量相加的并行算法 201

13.6 混凝土试件细观弯拉并行数值模拟 201

13.6.1 并行算法计算效率 201

13.6.2 湿筛试件细观并行数值模拟 202

13.7 小结 202

第14章 基于PFEPG并行平台的并行计算研究 204

14.1 FEPG有限元程序自动生成技术 204

14.1.1 元件化思想 204

14.1.2 有限元程序自动生成原理 205

14.1.3 多场耦合问题 205

14.1.4 应用FEPG进行有限元计算的一般过程 206

14.2 并行程序的生成 207

14.2.1 数据结构 207

14.2.2 系统工作模式 207

14.2.3 程序结构 208

14.3 混凝土细观数值模拟的FEPG文件 210

14.3.1 giO命令流文件 210

14.3.2 gcn命令流文件 210

14.3.3 nfe算法文件 211

14.3.4 vde文件 214

14.4 并行程序的生成和运行 215

14.5 混凝土细观模型的并行计算 216

14.5.1 细观模型选取及并行程序生成 216

14.5.2 预静载作用下三维细观模型并行计算分析 219

14.5.3 计算结果的后处理 220

14.5.4 并行计算效率 221

14.6 小结 222

附录 应力、应变和基本方程的张量表示法 223

参考文献 229

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