混凝土黏塑性动力损伤本构关系

从静力弹塑性损伤本构关系的基本框架出发, 综合考虑塑性应变与损伤 演化的率敏感性, 建立了能够较为全面地描述混凝土在动力加载条件下非线性性能的混凝土 黏塑性动力损伤本构模型. 为了考虑塑性应变的率敏感性, 基于Perzyna理论推导了有效应 力空间黏塑性力学基本公式, 采用改进的Perzyna型动力演化方程, 将损伤静力演化方程推 广到动力加载情形. 基于并联弹簧模型, 从概率论的角度推导给出了一维损伤静力演化方程, 并基于能量等效应变的基本概念将其推广到多维损伤演化. 利用数值模拟, 计算得到了 混凝土在不同应变率下的应力应变全曲线, 同时得到了一维动力提高因子和二维动力强度包 络图, 数值结果与试验结果的对比表明了该模型的有效性.     

滑移爆轰驱动钢管的层裂

将VG损伤模型推广到二维情况,考虑了最大主应力方向对损伤演化的影响,并使用显式断裂算法对20钢管在GI-920炸药滑移爆轰驱动下层裂的问题进行二维数值模拟。分析了一维内爆和滑移爆轰两种加载方式下作用于钢管外表面的压力及钢管内部受力状态的区别,考察了滑移爆轰加载方式下钢管外表面的受力随炸药厚度变化的规律,进而研究了钢管内损伤的分布和演化,以及裂纹的产生和扩展现象。计算得到的层裂片初始厚度随炸药厚度的变化规律与实验结果符合较好。     

基于Updated Lagrangian法的三维粘弹性大变形问题的有限元分析

本文基于Updated Lagrangian增量迭加方法,采用以现时Kirchhoff应力增量和现时Green应变增量表示的虚功方程和Kirchhoff应力张量-Green应变张量的积分本构关系,导出粘弹性大变形的虚功方程。依此采用二十节点三维立方等参数元编制相应的计算程序。三个算例结果与以往一维、二维的计算结果完全符合。     

飞片撞击下JO-9159炸药的脆性损伤

介绍了高能炸药在飞片撞击下脆性损伤的实验和理论研究工作。采用了火药枪装置驱动铝飞片作为加载手段 ,对被研究样品JO 915 9进行碰撞 ;回收了经受撞击破碎的样品 ,对其进行筛网分析获得破片数目分布 ;据此分布和有关文献数据 ,给出了JO 915 9炸药的成核 增长 (NAG)模型系数。将适用于脆性损伤模式的一维NAG模型子程序加入一维流体弹塑性动力学计算编码 ,完成调试和初步数值模拟工作 ,计算所得的样品最大损伤区域与实验得到的层裂片厚度接近。     

Euler-Lagrange耦合计算的GEL方法

研究了一种Euler-Lagrange耦合数值方法ghost-fluid Euler-Lagrange(GEL)方法,编写了GEL二维计算程序。其中Euler流场计算采用以SCB格式编制的二阶计算程序,Lagrange域计算采用DEFEL二维动力有限元程序。通过一维黎曼问题的计算结果与高精度PPM方法进行的比较,以及二维移动边界cylinder lift-off problem的计算结果与文献的对比,验证了GEL方法和本文程序的正确性。     

大变形下初始斜交异性本构方程

采用材料主轴法,建立了初始斜交异性材料在变形构形（Euler描述）下的斜交异性本构方程,以及在初始构形（Lagrange描述）下的形式。具体给出了斜交异性线弹性材料方程的显式,它在Lagrange描述下形式简洁,可方便地用于有限元计算。文中指出,在变形构形下是线弹性的材料,在Lagrange描述下其本构方程一般已成为非线性,我们称之为本构转换非线性。这种非线性在实际的有限元计算中还未引起重视。为理论简明,本构方程是对二维给出的。     

混凝土冻融损伤本构模型研究

基于各向同性连续损伤力学理论,以损伤条件下的弹性模量和泊松比为变量,基于Ottosen理论模型建立了混凝土冻融损伤破坏准则,并以Ottosen本构理论模型为基础,利用建立的冻融损伤破坏准则构建了混凝土冻融损伤本构模型,并编制了本构模型有限元程序,经过试验验证模型计算结果较为准确,为有限元计算和冻融作用后混凝土结构模拟应...     

GEL方法在一维双界面问题中的应用

用ghost-fluid Euler-Lagrange(GEL)耦合数值方法,对二维GEL计算程序(其中Euler流场计算采用以SCB格式编制的二阶计算程序,Lagrange域计算采用DEFEL二维动力有限元程序)进行扩展,将程序应用于多界面问题.算例为空气和水的一维双界面黎曼问题,获得了密度、速度和压力结果,并通过i...     

混凝土材料损伤耦合的非线性粘弹性本构关系

根据不可逆热力学原理和推广的Onsager原理建立了内变量演化的非线性方程;采用迭代方法得到了非线性方程的迭代解,并根据Lipschitz条件给出了迭代解的收敛条件。由此,建立了一维应力条件下的非线性粘弹性本构关系。将这一本构关系推广至三维应力情况,并考虑了状态方程和损伤演化,在剪切诱导材料粘性的前提下建立了混凝土损伤耦合的非线性粘弹性本构关系。在该关系式中：损伤演化方程与混凝土的粘性应变积累相关;状态方程服从三次多项式的形式。实验结果表明：此模型能够比较好地表征混凝土材料在达到强度极限前后的强化与软化的特征。     

复合材料板冲击损伤检测的二维间隔平滑法

本文发展了一种基于振动的复合材料板的损伤检测方法,将原有的一维间隔平滑法(1D GSM,one dimensional gapped smoothing method)发展至二维(2D GSM),并进一步提出二维间隔平滑法的标准化损伤指标.与其他多数基于振动分析的损伤检测方法不同,该方法只需分析含有损伤结构的检测数据,无需结构健康时的数据或理论、计算结果作为对比信号,即可判定缺陷的存在,并能准确定位.针对由冲击造成的准各向同性碳纤维增强复合材料板中的层裂损伤,本文采用压电片阵列组合激励的方式,得到了复合材料板多频率扭转振型的同时激励,可实现快速、高效的损伤检测.通过扫描式激光测振仪测得结构在不同固定频率下的结构响应ODS(operational deflection shapes),利用提出的二维间隔平滑法,分析得出损伤指标.实验结果表明,二维间隔平滑法可以准确地检测碳纤维增强复合材料板的冲击损伤,并具有较好的精度.     

冲击载荷下盐岩的力学性能和本构关系研究

利用直径75mm的大尺寸SHPB实验装置开展盐岩的动态压缩性能实验研究,得到了其动态应力应变曲线。分析表明,在冲击压缩载荷作用下,盐岩材料有明显的损伤软化现象和应变率效应。针对实验曲线,通过引入描述材料强度随应变率强化的应变率增强因子和随不可逆变形发展而弱化的损伤因子,提出了含损伤率的相关动态本构模型,拟合得到的本构方程形式比较简单,能够较好地反映盐岩动态实验加载过程的主要特征,具有一定的工程应用价值。     

薄壁柱壳在内部爆炸载荷下膨胀断裂的研究

以柱形爆炸装置为研究对象 ,讨论了其薄壁壳体在爆炸载荷下的动态断裂准则。给出了典型的FAE模型及在数值计算时必要的简化条件。对回收的壳壁破片进行了SEM扫描电镜观测 ,分析了金属材料在高应变率下膨胀断裂的微观机制。采用解耦的、考虑应变强化的粘塑性本构方程 ,根据损伤破坏理论推导出以临界应变为依据的改进断裂准则 ,计算表明断裂参数理论解与数值模拟结果一致 ,并得到了实验方面的例证。     

不同加载状态下TA2钛合金绝热剪切破坏响应特性

一般认为绝热剪切现象在宏观上表现为材料动态本构失稳,即热软化大于应变硬化.本文采用帽型受迫剪切试样研究TA2钛合金的动态力学特性和本构失稳过程.首先对剪切区加载应力状态进行理论和数值分析,通过合理设计帽型试样,剪切区变形可近似按剪切状态处理;结合二维数字图像相关法(two-dimensional digital image correlation,DIC-2D)直接测试试样剪切区应变演化,给出帽型受迫剪切实验的等效应力-应变响应曲线.进一步,利用Hopkinson压杆对TA2钛合金开展动态压缩及帽型剪切对比试验研究,比较压缩、剪切试验得到的等效应力-应变曲线,采用"冻结"试样方法分析试样中绝热剪切局域化演化过程,探讨不同加载状态下TA2钛合金的绝热剪切破坏现象及其动态力学响应特性.实验结果表明,在塑性变形初始阶段,动态压缩及剪切加载下的等效应力-应变曲线符合较好,但随塑性损伤发展及绝热剪切带形成,两者出现分离,表明损伤及绝热剪切演化过程与应力状态相关.剪切试样实验得到的本构"软化"特性能够反映绝热剪切带起始、破坏演化过程的力学响应特性,而在动态压缩实验中,即使试样中已出现双锥形的绝热剪切带及局部裂纹分布,其表观等效应力-应变曲线并不出现软化特征,动态压缩实验无法得到关于绝热剪切起始、发展以及破坏的本构软化响应特性.     

Dynamic limit analysis formulation for impact simulation of structural members

This paper introduces an extended concept of limit analysis to deal with the dynamic equilibrium condition considering the inertia and strain-rate effect for dynamic behavior of structures. The conventional limit analysis method has been applied to only static collapse analysis of structures without consideration of dynamic effects in the structural behavior. A dynamic formulation for the limit analysis has been derived for incremental analysis dealing with time integration, strain and stress evaluation, strain hardening, strain-rate hardening and thermal softening. The time dependent term in the governing equation is integrated with the WBZ-α method. The dynamic material behavior is described by the Johnson–Cook model in order to consider strain-rate hardening and thermal softening as well as strain hardening. Simulations have been carried out for impact analysis of a Taylor bar and an S-rail and their numerical results are compared with elasto-plastic explicit analysis results by LS-DYNA3D. Comparison demonstrates that the dynamic finite element limit analysis can predict the crashworthiness of structural members effectively with less effort and computing time than the commercial code compared. The crashworthiness of a structure with the rate-dependent constitutive model is also compared to that with the quasi-static constitutive relation in order to investigate the dynamic effect on deformation of structures.     

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.     

延性金属层裂自由面速度曲线特征多尺度模拟研究

以延性金属钽为研究对象,对钽在平板撞击下的层裂行为进行了多尺度下的数值模拟研究,从微观视角对自由面速度曲线上的典型特征进行了新的解读。在宏观尺度,对比分析了光滑粒子流体动力学法（smootfied particle hydrodynamics, SPH）与Lagrange网格法以及几种本构模型的模拟结果及其适用性。通过与实验数据的对比表明,Steinberg-Cochran-Guinan本构模型在层裂模拟中与实验数据吻合较好,通过改变加载条件获得了不同应变率下的自由面速度曲线,分析了不同应变率下的自由面速度曲线中的典型特征。在微观尺度,采用分子动力学方法获得层裂区域内损伤演化情况,揭示了宏观尺度自由面速度曲线典型特征所蕴含的物理内涵。分析表明,层裂表现为材料内部微孔洞形核、长大和聚集的损伤演化过程,自由面速度曲线上的典型特征与层裂区域的损伤演化过程存在密切关联。Pullback信号是层裂区域内微孔洞形核的宏观表征;自由面速度曲线的下降幅值在一定程度上反映了微孔洞的形核条件,由此计算得到的层裂强度实际上是微孔洞的形核强度。此外,Pullback信号后的速度回跳速率反映了微损伤演化的速率。     

一般加载规律的弹塑性本构关系

将有关文献给出一般加载规律一维全量理论的简单模型推广到一般加载规律的一维增量理论,进而推广到一般加载规律的多维增量理论,在此基础上,建立了推导一般加载规律的多维增量理论的本构关系的一种途径。应用这种途径,从应力空间的加载函数和应变空间的加载函数出发,推导了等向强化材料和被加热的等向强化材料的一般加载规律的弹塑性本构关系的两种表示形式。理论和实例均表明,这种途径对等向强化材料、随动强化材料和理想弹塑性材料均适用。     

An elasto-plastic damage constitutive theory and its prediction of evolution of subsequent yield surfaces and elastic constants

Based on pair functional potentials, Cauchy-Born rule and slip mechanism, a material model assembling with spring-bundle components, a cubage component and slip components is established to describe the elasto-plastic damage constitutive relation under finite deformation. The expansion/shrink, translation and distortion of yield surfaces can be calculated based on the hardening rule and Bauschinger effect defined on the slip component level. Both kinematic and isotropic hardening are included. Numerical simulations and predictions under tension, torsion, and combined tension-torsion proportional/non-proportional loading are performed to obtain the evolution of subsequent yield surfaces and elastic constants and compare with two sets of experimental data in literature, one for a very low work hardening aluminum alloy Al 6061-T6511, and another for a very high work hardening aluminum alloy annealed 1100 Al. The feature of the yield surface in shape change, which presents a sharp front accompanied by a blunt rear under proportional loading, is described by the latent hardening and Bauschinger effect of slip components. Further, the evolution law of subsequent yield surfaces under different proportional loading paths is investigated in terms of their equivalence. The numerical simulations under non-proportional loading conditions for annealed 1100 Al are performed, and the subsequent yield surfaces exhibit mixed cross effect because the kinematic hardening and isotropic hardening follow different evolution tendency when loading path changes. The results of non-proportional loading demonstrate that the present model has the ability to address the issue of complex loading due to the introduction of state variables on slip components. Moreover, as an elasto-plastic damage constitutive model, the present model can also reflect the variation of elastic constants through damage defined on the spring-bundle components.     

准脆性材料的弹塑性各向异性损伤耦合本构模型研究

针对准脆性材料的非线性特征：强度软化和刚度退化、单边效应、侧限强化和拉压软化、不可恢复变形、剪胀及非弹性体胀,在热动力学框架内,建立了准脆性材料的弹塑性与各向异性损伤耦合的本构关系。对准脆性材料的变形机理和损伤诱发的各向异性进行了诠释,并给出了损伤构形和有效构形中各物理量之间的关系。在有效应力空间内,建立了塑性屈服准则、拉压不同的塑性随动强化法则和各向同性强化法则。在损伤构形中,采用应变能释放率,建立了拉压损伤准则、拉压不同的损伤随动强化法则和各向同性强化法则。基于塑性屈服准则和损伤准则,构建了塑性势泛函和损伤势泛函,并由正交性法则,给出了塑性和损伤强化效应内变量的演化规律,同时,联立塑性屈服面和损伤加载面,给出了塑性流动和损伤演化内变量的演化法则。将损伤力学和塑性力学结合起来,建立了应变驱动的应力-应变增量本构关系,给出了本构数值积分的要点。以单轴加载-卸载往复试验识别和校准了本构材料常数,并对单轴单调试验、单轴加载-卸载往复试验、二轴受压、二轴拉压试验和三轴受压试验进行了预测,并与试验结果作了比较,结果表明,所建本构模型对准脆性材料的非线性材料性能有良好的预测能力。     

考虑损伤的弹—粘塑性本构方程

采用Ｐｅｒｚｙｎａ过应力本构框架，引入塑性损伤在饱和强化率相关介质中的动态演化规律，建立了考虑损伤的弹－粘塑性本构方程，修正了Ｅｆｔｉｓ等人将Ｐｅｒｚｙｎａ方程推广时采用不一致的基体强化模式推演损伤演化方程和本构关系这一矛盾。详细计算了黄铜的初始屈服强度及率相关屈了面，给出了动态单轴拉伸数值结果并与实验进行了比较，结果符合很好。