夹芯结构水泥预制件的力学性能分析（分析部分）
1.1引言
在本章中，我们旨在通过整合先前收集到的详尽材料数据，将其导入至功能强大的Abaqus软件进行全方位的模拟分析。此举的核心目的在于验证模拟过程的真实性与可靠性，确保研究结果的准确性。通过深入剖析模拟结果中的应力分布情况以及损伤状态，我们能够细致入微地评估结构的优劣性，识别潜在的问题区域和优化空间。
此外，本章还将充分利用在实验中精心配置的复合水泥基材料属性，进一步拓展模拟范围，尝试分析多种不同的结构类型。我们的目标是通过这一系列的模拟实验，探索并发现性能更为卓越的结构设计，为实际工程应用提供坚实的理论指导和科学依据。这一研究过程不仅有助于我们深刻理解材料在复杂环境下的行为表现，还能为未来的创新设计提供宝贵的参考，助力实现结构优化与性能提升。
1.2不同尺寸结构模型的的力学性能
1.2.1正方形孔洞结构
选取试验中预制件应变片安装位置提取数据，压力最大值为683.7kN，与试验值的误差为12.2%，在误差容许范围内。整体 位移-反力图如图4-1。
图4-2正方形孔洞结构应力图截面与整体
1.应力分析：从图4-2中可以清晰地观察到，正方形孔洞结构的水泥预制件在多个部位表现出明显的应力集中现象。首先，位于预制件中心的腹板部分与外侧连接区域应力集中情况尤为严重，这可能是由于中心翼缘在承受外部荷载时，需要传递和分配更多的力，从而导致该区域的应力水平较高。其次，预制件上下两面的边角部位也出现了显著的应力集中，这些边角处由于几何形状的变化，往往成为应力传递的瓶颈区域，容易引发应力集中。此外，中心的腹板部分所在位置的外侧的位置同样表现出严重的应力集中现象，这可能与其在整体结构中的受力特点和几何过渡有关。这些应力集中区域在设计和使用过程中需要特别注意，可能会影响预制件的整体强度和耐久性。
2.损伤分析：通过图4-3可以清晰地看出，在正方形孔洞结构的水泥预制件中，存在着几个损伤较为严重的区域。首先，位于预制件中心的腹板部位出现了显著的损伤，尤其是在其高度居中的位置，这一区域的损伤情况最为明显。其次，沿着预制件长边的上下两侧，损伤区域呈现一种波浪形的带状分布，这些损伤带在中心位置略微靠近，形成了条类似M型的损伤带。从截面图可以进一步观察到，这些波浪形的损伤带在中心位置有明显的下降趋势，最终与腹板相连，形成了一种独特的内侧X形结构。最后，在预制件短边侧内部的中心高度位置，也出现了损伤，虽然这一区域的损伤程度没有前两个区域那么严重，但也值得关注。这些损伤区域的分布和形态，为我们进一步分析和评估预制件的结构强度和耐久性提供了重要的参考依据。
图4-3正方形孔洞结构损伤图整体与截面
通过仔细对比试验得到的图像见图4-4，我们可以清晰地看到，图像下侧的损伤裂纹与模拟结果呈现出极高的相似度。中心部位的裂纹不仅在形态上与模拟中的重损伤区域高度重合，其分布范围和扩展趋势也与大损伤区域惊人地一致。左侧的裂纹同样与模拟结果中的较
图4-4正方形孔洞结构水泥试验件损伤
重损伤区域吻合得很好。这些吻合之处充分证明了模拟过程的高度可信性，也进一步验证了模拟方法的有效性和精确性。这对于我们后续的研究工作有着重要的指导意义，能够帮助我们更加准确地理解和预测在实际应用中可能出现的损伤情况，从而采取更为有效的预防和修复措施。
1.2.2梯形孔洞结构
选取试验中预制件应变片安装位置提取数据，压力最大值为709.7kN，与试验值的误差为13.0%，在误差范围内。整体 位移-反力图如图4-5。
1.应力分析：从整体应力图见图4-6，可以看出，梯形孔洞结构水泥预制件在受力分布上存在明显的特征。首先，在梯形短底边侧上下面的边角处，有显著的应力集中现象，这表明这些部位在受到外力作用时，会承受较大的应力，从而导致材料内部出现明显的应变。这种应力集中可能是由于结构的几何形状突变所引起的，需要在这些部位进行加强处理，以避免在实际使用中出现损坏。
其次，在梯形长底边处，与外侧面相连的夹角1/3与2/3处，同样存在明显的应力集中。这些部位作为结构的关键连接点，承担着传递和分配外力的重要任务。然而，由于应力集中，这些部位也成为了整个结构的薄弱环节，需要特别关注。在设计过程中，可以通过优化几何形状或增加加强筋等方式，来降低这些部位的应力集中程度，提高结构的整体承载能力。
图4-6梯形孔洞结构应力图整体与截面
最后，值得注意的是，中心腹板处并未承载太多力，这表明在现有结构设计中，中心腹板材料的利用率不高，对材料有一定程度的浪费。从材料利用和成本控制的角度来看，可以考虑对中心腹板进行优化，例如调整其厚度或形状，以减轻结构的整体重量，同时降低材料成本。然而，在进行优化时，需要充分考虑结构的整体刚度和稳定性，确保优化后的结构仍然能够满足使用要求。通过综合考虑这些因素，可以实现对梯形孔洞结构水泥预制件的更合理设计，提高其性能和使用寿命。
2.损伤分析：如图4-7，首先值得注意的是，腹板的中心，虽然受力程度并不高，但其损伤程度较高。其矩形长边外侧损伤带整体呈现一个以梯形短边侧闭口，梯形长边侧开口侧躺的的几字形，并以此规律在矩形短边侧呈现一个弧形损伤带和向内略微收敛的两个条形损伤带。内侧梯形结构斜边处呈现X形，从梯形长底靠外侧夹角处长底整体往上。在梯形结构底边处，短底位置呈现口字形，长底位置体呈现人字形。整体损伤形式表现较为复杂。
图4-7梯形孔洞结构损伤图整体与截面
图4-8梯形孔洞结构水泥试验件损伤
通过将试验件如图4-8与模拟结果进行对比分析，我们可以清晰地看到，除了试验件中心部位存在一条明显的竖直裂纹之外，其他部分的损伤状态都与模拟结果高度吻合，表现出了较好的一致性。在试验件出现开裂的初期，两条裂纹之间的距离非常接近，这可能导致了局部区域内异常的应力集中现象。这种应力集中效应进一步加剧了裂纹的扩展，最终使得两条裂纹相互连接，形成了一条较长的裂纹。从整体来看，该模型在预测和模拟实际损伤行为方面表现出了较高的可信度，为后续的研究和应用提供了坚实的基础。
1.2.3圆形孔洞结构
1.结构设计：孔洞结构为半径71mm的圆，圆心距短边100mm，距长边106mm，高200mm,矩形尺寸为长400mm宽200mm。
图4-9圆形孔洞结构草图
2.应力分析：
图4-10圆形孔洞结构应力图整体与截面
从图4-10中可以看出，圆形孔洞结构水泥预制件的应力主要集中于中间腹板的中间高度左右两侧材料中。以及上下面中间位置的左右两侧有轻微的应力集中。其余部位应力分布良好。
3.损伤分析：
从图4-11可以清晰地看出，圆形孔洞结构损伤与正方形孔洞结构有着明显的相似之处，但更为对称，展现出更强的规律性。这种对称性使得圆形孔洞在受力分布和损伤扩展路径上可能更加均匀，与之相比，正方形孔洞则可能在某些角点处出现应力集中现象。此外，圆形孔洞的规律性可能在材料性能和制造工艺上提出更高的要求，以确保其几何形状的精确性。这种精确的几何形状也可能在特定的应用场景中，如流体力学或光学器件中，发挥更加优势的作用。总体而言，圆形孔洞结构损伤不仅在形态上具有独特的对称美，还在实际应用中具备潜在的优越性能。
图4-11圆形孔洞结构损伤图整体与截面
1.2.4正六边形孔洞结构
1.结构设计：
图4-12正六边形孔洞结构草图
孔洞结构为边长78.5mm的正六边形，最两侧端点分别离矩形短边27mm，最上侧边离矩形长边32mm，矩形尺寸为长400mm宽200mm。如图4-12。
2.应力分析：
图4-13正六边形孔洞结构应力图整体与截面
如图4-13，正六边形孔洞结构的应力集中位置主要位于上下底面长边的两侧中心以及腹板中间高度处。这种现象的出现是因为在这些部位，结构在受到外力作用时，会产生较大的应力集中，从而导致材料内部的应力分布不均匀。尤其是腹板距离两侧大约1/5、3/5和4/5位置处，应力集中现象最为明显。这些区域在承受载荷时，由于几何形状的变化和材料的特性，容易形成高应力区。因此，在设计和制造过程中，需要特别注意这些关键位置，以确保结构的整体强度和安全性。
3.损伤分析：
图4-14正六边形孔洞结构损伤图整体与截面
如图4-14，正六边形孔洞结构的损伤与圆形孔洞结构的损伤状态高度相似，但其侧面的损伤大致呈X型，比圆形孔洞结构的更具有规律。
1.2.5复合孔洞结构
1.结构设计：
注意到之前的模拟中，结合以上所有模型都可以看出所有结构的最中心位置始终是损伤的重点区域。处梯形孔洞结构外的实验件中心腹板处均产生了严重的应力集中现象，为简化设计，以正方形孔洞结构作为模板，考虑到圆柱形的优秀力学性能，将结构中心设置为一个圆柱形的孔洞，与其相邻的正方形孔洞边转换为弧线，以确保材料强度足够，并分散承担荷载。各部位尺寸如图4-15，圆形孔洞半径为30mm。
图4-15复合孔洞结构设计草图
2.应力分析：
图4-16复合孔洞结构应力图整体与截面
如图4-16，可以看出，这种复合结构在受力后，其内部的应力分布相较于传统结构显得更加均匀合理。这一特点使得该结构在承受外力时，能够更有效地分散和传递载荷，从而提升整体的稳定性和安全性。仅在结构的夹角处以及上下面的外边缘，存在轻微的应力集中现象。
4.损伤分析：
从复合孔洞结构的损伤图和正方形孔洞结构的损伤图对比，两者的最大值分别为7.973e-01和8.125e-01，可以明显看到，复合孔洞结构的损伤状况优于正方形孔洞结构。
图4-17复合孔洞结构与正方形孔洞结构损伤对比
图4-18复合孔洞结构损伤截面图
1.2.6使用导角优化结构
从前面的模拟中可以看到，在结构的夹角处，往往存在着应力集中现象，因此尝试使用导角来消除这种现象。
图4-19结构添加导角与未添加应力对比
图4-20结构添加导角与未添加损伤对比
如图4-19、4-20，可以明显看到，添加导角后的结构整体的应力分布状态优于未添加导角的结构。可惜的是，损伤情况并未得到太多改善。
1.3本章小结
我们通过详细的实验数据和模拟测试可以明显看出，梯形孔洞结构水泥预制件的承载能力显著强于正方形孔洞结构水泥预制件。在对这两种结构进行测试时，梯形孔洞结构展现了更为优异的表现，其整体的应力分布情况相较之下更为均匀和合理。结合多种结构来看应力分布状态最优的是复合孔洞结构。
然而，尽管梯形孔洞结构在承载能力上有明显优势，其结构设计中仍存在一些需要注意的薄弱环节。特别是在梯形结构的长底侧与外边缘接触的夹角处，这个位置显现出较为脆弱的特性，是整个结构中两个较大的应力集中点之一。在高负荷条件下，这些应力集中点可能会导致结构失效，进而影响整体稳定性。此外，我们还观察到其中心腹板的损伤状态并不乐观，损伤累积的速度较快，这可能成为影响其长期使用的关键因素。
因此，在实际应用中，对于采用梯形孔洞结构的水泥预制件，需要特别注意对这些薄弱部位进行加固或优化设计，以提升其整体的安全性和使用寿命。这可能包括改进材料的配比、增强钢筋的配置或者优化结构的几何设计。通过进一步的研究和优化，我们相信可以克服这些潜在的弱点，实现更为高效和可靠的结构性能。
通过多个结构对比，可以得到一些有效设计。例如整个结构的中心部位，采用圆柱形的中空设计，可以避免部分应力集中与损伤现象。在矩形长边的中心位置的内侧结构，避免使用带夹角的设计可以有效的避免此位置应力集中现象的产生。以及使用导角避免应力集中
