动能弹侵彻素混凝土板的数值模拟

用二维梁-颗粒模型BPM2D(Beam-Particle Model in Two Dimensions)模拟了刚性弹体侵彻和贯穿素混凝土板的过程．梁-颗粒模型BPM2D是在离散元法基础上,结合有限元法开发的二维数值计算模型．在模型中用三种类型梁单元形成混凝土数值试样．每种类型梁单元的力学性质均按韦布尔(Weibull)分布随机赋值以模拟混凝土细观结构的非均匀性,同时梁单元的强度随应变率不同而变化．利用此模型分析了弹体侵彻下混凝土板的破坏过程,并给出不同弹体初始速度条件下各时刻混凝土和弹体内部速度场．通过将计算结果与实验数据及LS—DYNA程序模拟结果相比较,表明梁-颗粒模型可有效应用于计算和模拟脆性材料动态破坏问题．     

混凝土拉伸断裂的细观数值分析

根据混凝土试件拉伸和三点弯曲的物理模型,用梁-颗粒模型BPM 2D(B eam-Particle M ode l)模拟了混凝土拉伸和三点弯曲试件微裂纹的萌生、扩展直至试件宏观破坏的全过程。在梁-颗粒模型中用三种类型梁单元形成混凝土细观数值模型,每种类型梁单元的力学性质均按韦伯(W e ibu ll)分布随机赋值以模拟混凝土细观结构的非均匀性。数值模拟结果给出了混凝土拉伸应力-应变曲线和三点弯曲载荷-位移曲线,以及混凝土试件破坏过程最大应力分布图和裂纹扩展图。数值模拟结果显示混凝土破坏过程实际上就是微裂纹萌生、扩展、贯通,直到宏观裂纹产生导致混凝土失稳断裂的过程。通过对数值模拟结果的分析,揭示出混凝土在拉伸条件下裂纹尖端的拉应力集中是裂纹扩展的动力,混凝土组成材料力学性质的非均匀性是造成裂纹扩展路径曲折的重要原因。     

脆性材料动态破坏过程的数值模拟

根据连续介质力学基本原理和离散元法基本思想，针对脆性材料动态破坏过程问题，推导出基于圆盘单元的正交各向异性离散元二维计算模型，并利用此模型计算了各向异性薄板在冲击载荷下的应力波传播问题。通过将计算结果与LS－DYNA程序相比较，表明了本文提出的离散元模型的精确性。另外，对钢弹侵彻下滑凝土圆板破坏过程这个典型的发生连续介质向非连续介质转化的动力学问题进行了数值模拟和动画显示，并同侵彻实验中出现的几种破坏形式进行了分析和对比，从而证明了本计算方法是计算和模拟脆性材料出现从连续介质向非连续介质转变的动态破坏问题的有力工具。     

离散元法在求解三维冲击动力学问题中的应用

提出了三维连结型离散模型,建立了可实现连结型模型(用于连续介质)-接触型模型(用于非连续介质)转化的三维离散元计算程序,用来模拟连续介质转变为非连续介质的力学过程．利用该计算程序对冲击载荷下混凝土块体内(连续体情况下)的应力波传播过程进行了数值模拟．将计算结果的数值与LS-DYNA程序计算的结果进行比较,验证了该计算程序的计算精度．在此基础上,模拟了混凝土块体的动态破坏(连续介质向非连续介质转化)过程．其计算结果可用动画显示,得到的破坏形式与由实验得到的破坏形式相近．两个算例说明该离散元模型及其计算程序是模拟计算伴随有连续介质向非连续介质转变的动态破坏问题的有力工具．     

用于模拟颗粒增强复合材料破坏过程的梁—颗粒细观模型的实验验证

本文的主要目的是验证梁－颗粒细观模型在模拟混凝土和砂岩类颗粒增强复合材料连续破坏过程的有效性，文中首先介绍了梁－颗粒细数值模型的基本原理，然后给出了由细钢丝粘结成的正方体试验的单轴抗压实验结果，最后用梁－颗粒细观模型对物理实验进行了数值模拟，研究结果表明，物理实验和数值模拟所得到的试件破坏模式和荷载－位移曲线，两者基本一致，从而初步证明了梁－颗粒细观数值模型及模拟颗粒增强复合材料破坏过程，以及解释     

用于模拟颗粒增强复台材料破坏过程的梁-颗粒细观模型的实验验证

本文的主要目的是验证梁－颗粒细观模型在模拟混凝土和砂岩类颗粒增强复合材料连续破坏过程的有效性。文中首先介绍了梁－颗粒细观数值模型的基本原理，然后给出了由细钢丝粘结成的正方体试件的单轴抗压实验结果，最后用梁－颗粒细观模型对物理实验进行了数值模拟。研究结果表明，物理实验和数值模拟所得到的试件破坏模式和荷载－位移曲线，两者基本一致。从而初步证明了梁－颗粒细观数值模型是模拟颗粒增强复合材料破坏过程，以及解释其损伤机理的一个有效工具。     

钢筋混凝土柱破坏过程扩展有限元数值模拟

为描述钢筋混凝土柱的破坏过程,分别建立了由三维实体单元和三维杆单元构成的精细化模型以及结合纤维梁单元的纤维梁与实体单元耦合模型。耦合模型中,钢筋混凝土柱下段混凝土和钢筋分别用三维实体单元与三维杆单元建模,通过耦合连接实现精细单元与粗糙单元之间的变形协调。基于混凝土弹塑性本构关系,运用扩展有限元方法模拟钢筋混凝土柱的荷载-位移曲线以及开裂过程,并进行比较。数值模拟与试验结果的比较表明,模拟得到的裂缝位置以及荷载-位移曲线与试验结果吻合较好。扩展有限元具有无需重划网格、无需预设裂纹的优点,能有效地模拟筋混凝土柱的开裂过程。耦合模型具有计算效率高的优势,且能较好地模拟构件的破坏模式。     

模拟长杆弹侵彻混凝土靶的MCA方法

采用改进的移动元胞自动机法数值软件,对长杆弹侵彻混凝土靶进行了二维数值模拟,给出了弹靶的破坏变形过程,得到了侵彻深度与冲击速度的关系曲线。数值模拟结果与已有的实验现象吻合较好,说明该计算方法可以有效地计算和模拟高速侵彻问题。     

长杆弹对混凝土的侵爆效应

对适用于长杆弹在混凝土介质中侵彻和爆炸全过程的三维数值模拟方法和技术进行了研究。描述了进行相应数值模拟的有关方法和关键技术。确定了靶体C30混凝土材料所使用的本构模型及其相应的参数。对卵形头长杆弹在C30混凝土中侵彻到一定深度再爆炸的全物理过程进行了三维数值模拟,分别给出了C30混凝土靶体在侵彻和爆炸作用下的破坏效应图像。将侵彻计算图像与实验结果进行了比较,两者定性符合。     

弹体高速侵彻钢筋混凝土的实验与数值模拟研究

为了得到钢筋混凝土目标在动能弹高速冲击作用下的破坏数据，基于大口径发射平台进行了100 mm口径卵形弹体高速侵彻钢筋混凝土靶体的实验，弹体质量为5.4 kg，靶体尺寸分为2 m × 2 m × 1.25 m 和 2 m × 2 m × 1.50 m两种，混凝土抗压强度为50 MPa，弹体侵彻速度为1 345～1 384 m/s，实验获得了弹体的侵彻深度及钢筋混凝土靶体的破坏数据。通过“钢筋混凝土全体单元分离式共节点建模方法”建立钢筋混凝土靶体模型，结合Riedel-Hiermaier-Thoma本构模型对实验工况进行计算。数值模拟给出了侵彻过程中钢筋的拉压力变化和分布规律，很好地模拟出贴近迎弹面钢筋在弹体高速冲击作用下伴随混凝土反向飞溅而产生的反向拉伸现象及靶体背面钢筋在混凝土崩落作用下发生的拉伸现象；数值模拟得到的弹体侵深数据、现象与实验结果吻合良好，实验验证了“钢筋混凝土全体单元分离式共节点建模方法”的可靠性。     

基于三维细观模型的全级配混凝土静态力学性能的数值模拟

根据混凝土材料的细观组成和力学特性,研究了骨料几何形状和空间分布规律,建立全级配混凝土三维凸多面体随机细观模型,引入了混凝土细观组份材料的本构模型,分别模拟了单轴、双轴和三轴状态下混凝土的静态力学性能,并建立混凝土梁的三维宏细观分析模型,研究了三点弯曲梁的变形及裂缝扩展情况。结果表明,本文建立的细观力学模型的计算结果与实验数据吻合较好,可以较好地模拟各种复杂应力条件下混凝土的静态力学性能和损伤破坏机理。     

混凝土侵彻数值模拟的影响因素

利用动力学计算软件AUTODYN 2D,采用拉格朗日网格描述弹、靶模型,对弹径比为0.3、直径为75 mm、长225 mm的卵形弹垂直侵彻直径为1.6 m、厚度为2 m的混凝土靶板的过程进行了数值模拟。通过设置静水压和主应力2种拉伸失效模式、不同的混凝土靶板网格尺寸以及不同的销蚀应变分别进行计算,考察以上因素对侵彻深度及靶板前表面损伤面积计算结果的影响。结果表明:3种因素对数值模拟结果的影响显著;靶板网格尺寸选择5.0 mm时,计算结果较合理;分别选用2种不同的拉伸失效模式,侵蚀应变取1.5时,计算结果与实验结果均较接近;而当选用静水压拉伸失效模式,侵蚀应变取2.0时,计算结果与实验结果吻合最好。     

Residual stiffness assessment of structurally failed reinforced concrete structure by dynamic testing and finite element model updating

When an under-reinforced concrete beam structure has been loaded to the point where reinforcing steel on the tension side has yielded, it is deemed to have structurally failed and the full load capacity and stiffness can no longer be developed. When unloaded from the point of failure, the residual stiffness of the structure is difficult to estimate. There is a need to establish the serviceability of the structure and ultimately establish the levels of further loading that can be sustained before total collapse. In this paper we present a method for assessing residual stiffness of such a “failed” reinforced concrete structure, through the application of dynamic testing and finite element (FE) model updating. In an experimental study, failed zones in a beam structure were simulated in a FE model. Through a procedure of sensitivity-based updating using the measured modal properties, the stiffness distribution along the failed beam structure was identified.     

基于分离式共结点模型的钢筋混凝土结构爆破拆除数值模拟

通过大型有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,充分考虑钢筋和混凝土在结构倒塌时各自的受力状态和强度差异,运用分离式共节点模型模拟钢筋混凝土结构建筑物的爆破拆除倒塌过程.通过对倒塌过程中钢筋混凝土支撑立柱内侧和外侧的钢筋单元、混凝土单元的承载失效过程分析研究,对数值模拟效果与实际爆破效果对比分析得出:分离式共结点模型...     

Cohesive fracture simulation and failure modes of FRP–concrete bonded interfaces

A work-of-fracture method using three-point bend beam (3PBB) specimen, commonly employed to determine the fracture energy of concrete, is adapted to evaluate the mode-I cohesive fracture of fiber reinforced plastic (FRP) composite–concrete adhesively bonded interfaces. In this study, a bilinear damage cohesive zone model (CZM) is used to simulate cohesive fracture of FRP–concrete bonded interfaces. The interface cohesive process damage model is proposed to simulate the adhesive–concrete interface debonding; while a tensile plastic damage model is used to account for the cohesive cracking of concrete near the bond line. The influences of the important interface parameters, such as the interface cohesive strength, concrete tensile strength, critical interface energy, and concrete fracture energy, on the interface failure modes and load-carrying capacity are discussed in detail through a numerical finite element parametric study. The results of numerical simulations indicate that there is a transition of the failure modes controlling the interface fracture process. Three failure modes in the mode-I fracture of FRP–concrete interface bond are identified: (1) complete adhesive–concrete interface debonding (a weak bond), (2) complete concrete cohesive cracking near the bond line (a strong bond), and (3) a combined failure of interface debonding and concrete cohesive cracking. With the change of interface parameters, the transition of failure modes from interface debonding to concrete cohesive cracking is captured, and such a transition cannot be revealed by using a conventional fracture mechanics-based approach, in which only an energy criterion for fracture is employed. The proposed cohesive damage models for the interface and concrete combined with the numerical finite element simulation can be used to analyze the interface fracture process, predict the load-carrying capacity and ductility, and optimize the interface design, and they can further shed new light on the interface failure modes and transition mechanism which emulate the practical application.     

碳纤维约束高强混凝土圆柱压弯构件非线性全过程分析

为分析塑性铰区碳纤维约束高强混凝土圆柱的抗震性能,编制了可得到荷载-位移曲线软化段的非线性全过程分析程序,保护层和箍筋约束混凝土采用Mander本构模型,碳纤维约束混凝土采用ACI 440.2R-08给出的本构关系,将程序计算结果与试验结果进行比较,两者吻合较好;利用该程序分析了轴压比、混凝土强度、碳纤维包裹长度及层数、纵筋配筋率等参数对碳纤维约束混凝土圆柱荷载-位移关系的影响规律,结果表明:当轴压比超过0.55后,柱构件的水平承载力开始降低,柱的破坏形式由延性的受拉破坏向脆性的受压破坏转变;剪跨比大于3的圆柱,碳纤维在塑性铰区包裹长度大干1.2倍柱直径时,即可达到与全柱包裹基本一致的效果;对混凝土强度为50 MPa～80 MPa的高强混凝土圆柱,以包裹3～4层碳纤维为宜;随着纵筋配筋率的增加,柱的水平极限承载力及延性均有所提高.     

Cohesive zone model of intermediate crack-induced debonding of FRP-plated concrete beam

External bonding of FRP plates or sheets has emerged as a popular method for strengthening reinforced concrete structures. Debonding along the FPR–concrete interface can lead to premature failure of the structures. In this study, debonding induced by a flexural crack in a FRP-plated concrete beam is analyzed through a nonlinear fracture mechanics method. The concrete beam and FRP plate are modeled as linearly elastic simple beams connected together through a thin layer of FRP–concrete interface. A bi-linear cohesive (bond-slip) law, which has been verified by experiments, is used to model the FRP–concrete interface as a cohesive zone. Thus a cohesive zone model for intermediate crack-induced debonding is established with a unique feature of unifying the debonding initiation and growth into one model. Closed-form solutions of interfacial stress, FRP stress and ultimate load of the plated beam are obtained and then verified with the numerical solutions based on finite element analysis. Parametric studies are carried out to demonstrate the significant effect of FRP thickness on the interface debonding. The bond-slip shape is examined specifically. In spite of its profound effect on softening zone size, the bond-slip shape has been found to have little effect on the ultimate load of the plated beam. By making use of such a unique feature, a simplified explicit expression is obtained to determine the ultimate load of the plated concrete beam with a flexural crack conveniently. The cohesive zone model in this study also provides an efficient and effective way to analyze more general FRP–concrete interface debonding.     

钢筋混凝土结构破坏过程的近场动力学模拟

采用近场动力学(Peridynamics,PD)方法对钢筋混凝土结构破坏过程进行模拟,在"键"型近场动力学模型的基础上,考虑物质点对间的转动以突破泊松比的限制,采用能够描述混凝土材料的拉压异性和断裂特征的损伤模型,引入动态松弛、分级加载、平衡收敛准则和冲击接触等算法,建立了能准确描述钢筋混凝土结构破坏的近场动力学模型。模拟了钢筋混凝土梁在不同荷载作用下破坏的全过程,裂纹扩展路径以及最终破坏形式均与试验结果吻合,为解决工程结构破坏问题提供了一种有效的方法。