脆性固体损伤和局部软化的有限元分析

本文研究混凝土、岩石一类工程中常用的应变软化材料的有限元分析方法。在作者以往有关粘塑性损伤本构模型的工作基础上，给出了一组便于有限元计算的本构方程表达式。包括损伤弹性矩阵和局部损伤软化矩阵，分别运用于计算硬化和软化阶段的有限元刚度矩阵；对所提出的本构方程的实验验证计算和一些算例的有限元数值分析，表明文中给出的本构方程是可行的，相应的有限元算法能较好地对损伤固体的局部软化效应进行数值分析，并可成功地追踪应力应变响应的软化曲线     

脆性固体非弹性和软化性能的损伤本构模拟

本文概要地介绍了作者近年来在脆性固体粘塑性损伤本构模型方面的工作。首先，通过假设损伤率依赖于粘塑性应变率和应力变化率，提出了一个考虑损伤演化及其对材料力学性能的影响的粘塑性损伤本构模型。     

一种非局部弹塑性连续体模型与裂纹尖端附近的应力分布

本文提出一种非局部弹塑性连续体模型。在这个模型中,应力与弹性应变之间为非局部线性关系,而塑性应变与总应变历史相联系。对于形变理论,假定塑性应变张量与总应变偏量张量成比例,其比例因子是总有效应变的标量函数。将这一模型用于分析幂硬化弹塑性材料拉伸型裂纹尖端附近的应力场,利用经典断裂力学中所得的拉伸型裂纹尖端HRR奇性解的结果,在一维简化计算下导出了裂纹正前方的拉应力分布和最大拉应力的表达式,证明临界J积分准则可由非局部最大拉应力准则得到。用已有的实验数据计算了几种钢材在裂纹起始扩展时裂纹尖端附近的最大拉应力,发现其量级与晶格内聚强度相近。所得结果对于理解材料断裂过程的物理机理是有益的。     

混凝土单轴受拉的非局部本构模型

混凝土受拉本构行为存在很强的局部软化现象,使得单轴受拉试验无法给出应力-应变关系,而只能给出应力-位移关系。本文根据内变量理论和等效应变假设建立了基于真实应变的混凝土单轴受力本构方程,并根据Weibull分布可以描述混凝土等脆性材料断裂过程的试验现象,建立了关于弹性应变的损伤演化规律。然后,通过假设平均应变与真实弹性应变的函数关系,在应力-平均应变的本构关系中采用平均弹性应变以描述其非局部行为,而在材料的损伤演化规律中采用真实弹性应变以描述其局部行为,由此建立了单轴受拉荷载条件下的非局部本构模型。最后,对一个单调受拉试验和一个反复受拉试验的仿真结果表明所提出的非局部本构模型可以准确地模拟试验结果。     

基于OTTOSEN准则的混凝土粘塑性力学模型

研究了混凝土的弹．粘塑性动态本构关系,提出一个应变率相关的非线性混凝土模型．模型改进Bicanic的混凝土塑性间断面变化规律和Ottosen的四参数屈服准则,建立冲击荷载下的混凝土本构方程,可以应用于地震和爆炸作用下混凝土材料响应的研究．根据混凝土动态实验结果对应变率和材料强度的关系提出合理假设,考虑以往被忽略的材料峰值应变和泊松比随应变率的变化．模型包含静水压力参数和动态塑性损伤因子,可以有效地反映混凝土的动态力学行为,为其动态问题的研究提供有益的思路和有效的工具．     

应变损伤材料I型动态扩展裂纹尖端场的渐近分析

研究了应变损伤材料Ｉ型动态扩展的裂纹尖端场。假定材料服从Ｊ２流动理论，且损伤规律以幂律应变软化的规律给出。对于塑性区引进了应力函数φ，ψ０借助于动力学方程的分析，给出了渐近方程及数值解。结果表明，对于可压缩材料Ｉ型平面应变尖端场是完全由塑性区组成，没有弹性卸载区。在裂纹尖端附近，应力和应变分别具有如下的奇异性：σ￣（ｌｎＲ／ｒ）＾－ｎ／ｎ＋１，ε￣（ｌｎＲ／ｒ）＾１／ｎ＋１。     

幂硬化粘塑性材料动态扩展裂纹尖端场的渐近解

采用弹性－粘塑性本构模型，对幂硬化粘塑性介质中反平面剪切动态扩展裂纹尖端的应力，应变场进行了渐近分析，给出了反平面剪切动态扩展纹尖端场的渐进方程。分析结果表明，在裂纹法端应力具有（ｌｎＲ／ｒ）１／ｎ－１的奇异性，应变具有（ｌｎＲ／Ｒｎ／ｎ－１的奇异性。从而提示了幂硬化粘塑材料反平面剪动态扩展裂纹尖端场的渐近行为。     

脆性损伤材料裂纹尖端的局部解

本文利用Mazars和Lemaitre提出的混凝土脆性损伤模型,求得了裂纹尖端应力、应变及损伤的局部解.对手Ⅲ型及不可压缩平面应变Ⅰ型裂纹,其尖端场的构造和理想塑性材料相类似.指出由于丧失了应力全连续条件,从而损伤边界不能由局部解定出.     

弹体贯穿混凝土数值模拟的改进材料模型

研究混凝土结构在冲击载荷下的力学特性对武器以及防护结构的设计和评估具有重要意义,而合适的材料模型可以更准确地预测混凝土结构的力学行为和破坏模式。因此,本文中提出了一种改进的混凝土塑性损伤材料模型来描述其在冲击载荷下的力学响应。该改进模型考虑了压力-体积应变关系、应变率效应、洛德角效应和塑性损伤累积对混凝土材料力学特性的影响,并引入了一个与损伤相关的硬化/软化函数来描述压缩状态下的应变硬化和软化行为。随后,通过对3个独立的强度面进行线性插值得到了该改进模型的破坏强度面,并采用部分关联流动法则考虑了混凝土材料的体积膨胀特性。最后,开展了单个单元在不同加载条件下和弹体贯穿钢筋混凝土靶的数值模拟,验证了该改进模型的可行性、准确性以及预测性能提升。     

基于能量等效原理的应变局部化分析:Ⅰ.一维解析解

基于热力学第一定律和非局部塑性理论,提出了一种求解应变局部化问题的非局部方法.对材料的每一点定义了局部和非局部两种状态空间,局部状态空间的内变量通过非局部权函数映射到非局部空间,成为非局部内变量.在应变软化过程中,局部状态空间中的塑性变形服从正交流动法则,材料的软化律在非局部状态空间中被引入.通过两个状态空间的塑性应变能耗散率的等效,得到了应变软化过程中明确定义的局部化区域以及其中的塑性应变分布.应用本方法导出了一维应变局部化问题的解析解.解析解表明,应变局部化区域的尺寸只与材料内尺度有关;对于高斯型非局部权函数,局部化区域的尺寸大约是材料内尺度的6倍.一维算例表明,局部化区域的塑性应变分布以及载荷-位移曲线仅与材料参数和结构几何尺寸有关,变形局部化区域的尺寸随着材料内尺度的减小而减小,同时塑性应变也随着材料内尺度的减小变得更加集中.当内尺度趋近于零时,应用本文方法得到的解与采用传统的局部塑性理论得到的解相同.     

A viscoplastic model combined smedamage and smeared crack for softening of concrete

A viscoplastic model accounting for developing damage in concrete is proposed by assuming the rate of damage to be dependent on viscous strain and stress rates. The damage is measured by a scalar parameter affecting both the yield stress and the material viscosity. For a post-critical range of deformation, the localized mode occurs for which additional constitutive equations are specified. The model is applied to simulate uniaxial strain rate controlled and creep response for the concrete.     

Damage model for viscoplastic-softening behavior: cement paste and concrete

A viscoplastic-softening model is developed; it invokes damage accumulation depending on the viscous strain and stress rates. For deformation beyond the peak on the uniaxial stress-strain curve, the softening behavior is modelled by applying the accounting for loss in stiffness due to localized material damage by cracking. Predicted are the hardening/softening behavior of cement paste. The results for applied strain rates of 3 × 10⁻³, 3 × 10⁻² and 3 × 10⁻¹ s⁻¹ agreed well with the test data. Similar success was obtained for the creep of two types of concrete under compression.     

DAMAGE MODEL FOR HARDENING AND SOFTENING MATERIAL IN GENERAL STATE OF STRESS

The present paper is aimed to simulate progression of damage,hardeningand softening response in brittle materials such as concrete or rock in general state ofstress.Similar shape of surfaces for yield,failure and damage progressing areavailable,and softening strain is treated as plasticity.Then,the proposed model isapplied to solving several boundary value problems.     

Elliptical and circular FRP-confined concrete sections: A Mohr–Coulomb analytical model

An analytical stress–strain model is developed for predicting the compressive behavior of elliptical and circular fiber reinforced polymer (FRP)-confined concrete members. The model is based on a diagonal Poisson’s ratio formulation expressed as a function of the mechanical properties of the unconfined concrete and confining FRP jacket, the geometry of the concrete section, and the extent of internal damage in the confined concrete core. A Mohr–Coulomb yield criterion is introduced for analysis of the compressive behavior of confined concrete. Equilibrium and strain compatibility are used to obtain the ultimate compressive strength and strain of elliptical and circular FRP-confined concrete sections as a function of the effective confining stiffness of the FRP jacket. A simplified expression is derived for the FRP reinforcement ratio which precludes strain softening in elliptical and circular FRP-confined concrete sections.     

Analysis of the localization of deformation and the complete stress–strain relation for mesoscopic heterogeneous brittle rock under dynamic uniaxial tensile loading

Stress redistribution induced by excavation results in the tensile zone in parts of the surrounding rock mass. It is significant to analyze the localization of deformation and damage, and to study the complete stress–strain relation for mesoscopic heterogeneous rock under dynamic uniaxial tensile loading. On the basis of micromechanics, the complete stress–strain relation including linear elasticity, nonlinear hardening, rapid stress drop and strain softening is obtained. The behaviors of rapid stress drop and strain softening are due to localization of deformation and damage. The constitutive model, which analyze localization of deformation and damage, is distinct from the conventional model. Theoretical predictions have shown to consistent with the experimental results.     

冲击载荷下混凝土材料的动态本构关系

利用改装的杆径为 74mm的直锥变截面式大尺寸Hopkinson压杆对混凝土材料进行冲击压缩实验 ,系统研究了混凝土的应变率硬化效应 ,采用一种新的方法损伤冻结法对混凝土材料在冲击载荷下的损伤软化效应进行了系统研究 ,给出了冲击载荷下混凝土的损伤演化方程 ;在对数据进行合理分析的基础上 ,结合粘弹性本构理论 ,得到混凝土材料的损伤型线性粘弹性本构关系。     

复杂加载下混凝土的弹塑性本构模型

混凝土材料在不同应力路径下或复杂加载条件下会表现出差异性显著的应力应变关系,在小幅循环加载条件下,其应力应变关系会表现出类似于弹性变形的滞回曲线.在不同应力水平下,混凝土的应力应变关系以及破坏特性都具有静水压力相关特点,即随着静水压力增大,各向异性强度特性弱化.此外,混凝土受压及受拉破坏机理不同,因而对应于混凝土硬化损伤亦有不同,即可分为受压硬化损伤,受拉硬化损伤及两者的混合硬化损伤类型.基于Hsieh模型,对该模型进行了三点改进.（1）针对小幅循环加载下混凝土无塑性变形的试验规律,而模型中在应力水平较低的循环加载条件下始终存在塑性变形的预测问题,采用在边界面模型框架下,设置了应力空间的弹性域,初始屈服面与后续临界状态屈服面几何相似的假定.（2）基于广义非线性强度准则将原模型采用变换应力方法将其推广为三维弹塑性本构模型,采用变换后模型可合理的考虑不同应力路径对于子午面以及偏平面上静水压力效应形成的影响,并避免了边界面应力点奇异问题.（3）分别对拉压两种加载损伤模式建议了相应的硬化参数表达式,可分别用于描述上述加载中产生的应变软化及强度退化行为.基于多种加载路径模拟表明:所建立的三维弹塑性本构模型可合理地用于描述混凝土的一般应力应变关系特性.      

混凝土化学-力学耦合作用的非局部损伤模型

提出了混凝土化学损伤和力学损伤的耦合模型.用损伤变量表示的本构关系模拟混凝土力学性能.分析了化学侵蚀下混凝土损伤发展过程.研究表明,应力软化造成混凝土局部损伤是结构失效的根源.局部化学损伤出现的时候,平衡微分方程不能满足.为了解决这个问题,采用了非局部损伤模型.试验和有限元计算结果表明,混凝土化学-力学耦合作用的非局部损伤模型能够较好地描述受化学侵蚀与荷载共同作用的损伤状态.     

Antiplane shear fields near a crack-tip in a brittle damaged material

In this paper, a simplified brittle damage model is proposed according to the Mazarz-Lemaitre damage model for concrete. A closed-form solution for a mode III crack is obtained based on the simplified model under small scale damage conditions, which allows for discontinuities of displacement-gradient and tangential stress on the damage boundary. It is pointed out that the discontinuities of field variables near the tip region exist for the brittle damaged material induced by the softening effect of the material. The preoject supported by the National Natural Science Foundation of China