混凝土变形与损伤的分析

本文首先对材料本构理论尤其是混凝土材料本构理论的研究现状进行丁评述,然后分析了混凝土的变形与损伤的物理机理及混凝土的几个重要而且特殊的本构现象,讨论了混凝土损伤、单侧受力特性、剪胀效应等的描述方法,最后介绍了几种混凝土损伤本构模型。      

爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的动力响应及破坏形态分析

对基于Timoshenko梁理论建立的非线性动力有限元法作了改进。根据压区理论得到混凝土的平均剪应力和平均剪应变关系,建立了能反映箍筋的抗剪作用的材料模型;此外,对结构在爆炸荷载作用下可能出现的各种响应现象进行了描述,以准确地预测梁破坏时不同位置截面上钢筋和混凝土的受力、变形及破坏情况。应用改进的材料模型,对爆炸荷载作用下的五个钢筋混凝土试验梁的动力响应和破坏形态进行了数值模拟,结果表明,该数值方法能较好地模拟钢筋混凝土梁的弯曲、弯剪和剪切等破坏形态。     

考虑应变率效应的混凝土随机损伤本构模型研究

混凝土材料组分复杂且具有随机分布的特点, 其受力力学行为不可避免地存在非线性和随机性. 同时, 在动力荷载作用下, 混凝土材料具有不可忽视的率敏感性. 为了综合反映混凝土受力力学行为中的非线性、随机性与率敏感性, 本文从对材料的纳-微观裂纹扩展分析入手, 引入速率过程理论描述纳观裂纹的扩展速率, 并研究了对应的能量耗散过程. 在此基础上通过裂纹层级模型将纳观分析推演到微观尺度, 建立了微观能量耗散的基本表达式. 进而与微-细观随机断裂模型相结合, 形成了混凝土纳-微-细观随机损伤本构模型. 同时, 基于速率相关势垒的分析, 揭示了动力强度的提高源自加载速率和原子键断裂速率的竞争机制. 据此, 假定微裂纹间相互作用与应变率比值的相关关系以建立微弹簧能量耗散速率与应变率的联系, 实现了从静力本构模型向动力本构模型的扩展. 数值算例表明, 建议模型能够同时反映混凝土材料力学行为中的非线性、随机性和率敏感性. 最后通过与相关试验结果的对比, 验证了建议模型的正确性.      

混凝土的弹塑性损伤双面本构模型

针对混凝土材料拉压应变空间下损伤机制的不同,结合连续损伤力学和塑性理论建立了一个全新的本构模型。该模型中损伤和塑性变形的演变由应变空间的同一个非弹性曲面来控制,但对拉压应变空间中非弹性曲面的演变分别采用了随动强化法则和各向同性演化规律。计算结果表明,该模型能较好地描述混凝土材料在单轴及多轴单调加载和低周反复荷载下的典型非线性特征。     

热力学相容的混凝土各向异性单边损伤模型

微裂缝演化(损伤)引起的各向异性和单边效应,对于混凝土材料和结构的变形和内力有非常重要的影响. 在描述单边效应时,已有的各向异性损伤模型均会得出与热力学基本原理相矛盾的结论即损伤卸载时能量耗散不为零. 基于不可逆热力学和内变量理论,直接以材料柔度张量的增量作为损伤内变量,建立了各向异性单边损伤模型的一般形式,给出了热力学相容的投影算子,推导了模型的率本构关系.文中详细发展了模型的Newton-Raphson数值实现算法及其算法一致性模量,建立了合理的损伤准则和演化法则并应用于混凝土材料. 数值模拟结果初步验证了建议模型的有效性. 需要说明的是,模型完全构筑于热力学基础上,无需引入应变 等效或应变能等效等经验性假定.      

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。     

基于一类非局部宏-微观损伤模型的混凝土典型试件力学行为模拟

混凝土是一类典型的准脆性材料, 其受力过程中的非线性分析与裂纹模拟依然是具有挑战性的问题. 经典的断裂力学与损伤力学分别从间断与连续的视角对裂纹拓扑进行了描述, 是早期人们研究固体破坏问题的有力工具. 21世纪以来, 相场理论和近场动力学在预测裂纹的萌生、扩展与非线性分析方面取得了重要的进展. 最近, 结合统一相场理论与近场动力学的基本思想, 发展了一类非局部宏-微观损伤模型. 该模型引入物质点偶的概念来刻画由于变形引起的微细观损伤, 对微细观损伤在作用域中进行加权平均得到定量描述物质不连续程度的拓扑损伤. 通过具有物理机制的能量退化函数, 将拓扑损伤嵌入到连续介质-损伤力学的框架中, 这使得该模型在进行非线性分析的同时可以自然地进行裂纹模拟, 而毋须预设初始裂纹与裂纹扩展路径. 本文考虑细观物理参数的空间变异性, 采用非局部宏-微观损伤模型进行混凝土试件受力全过程的精细化模拟. 通过一维建模标定模型细观参数, 并探讨了细观参数与混凝土材料细观物理-几何特性之间的内在关联, 在此基础上采用二维模型进行精细化分析. 进而, 考察了材料参数空间变异性对混凝土单轴受拉试件和带缺口三点弯曲试件力学行为的重要影响. 本文的研究工作为非局部宏-微观损伤模型细观参数的试验标定与复杂应力状态下混凝土等准脆性材料的非线性力学行为研究提供了有意义的参考.      

钢管混凝土桥墩考虑粘结滑移效应的非线性纤维单元

基于粘结滑移理论和纤维模型建立了一个新的钢管混凝土桥墩单元,以提高钢管混凝土桥墩非线性分析的计算精度和计算效率。该单元是建立在小变形假定的基础上,同时忽略了剪切变形和扭转变形的影响。基于纤维模型的基本原理,将截面划分为不同的纤维组成,每根纤维的特性由材料的应力-应变本构关系描述,对截面上钢管、混凝土以及粘结滑移本构关系进行积分可以获得单元的非线性滞回特性;根据有限单元柔度法的基本理论,采用力的插值函数使单元始终满足轴力平衡和弯矩平衡条件。对比模型的计算结果和试验结果,可以看出本文模型具有良好的数值稳定性和鲁棒性,可以准确地计算钢管混凝土桥墩在复杂荷载作用下的滞回行为。最后本文对模型的适用性进行了讨论,分析了误差产生的原因并指出了需要进一步开展的工作。     

钢-混凝土组合梁桥徐变的三维虚拟层合元分析

采用三参数粘弹性模型,对钢-混凝土组合梁桥在长期荷载作用下的徐变性能进行了研究,并采用三维虚拟层合单元法研究这种效应以及截面由不同材料组成时结构的受力特点。在实验研究的基础上,拟合了粘弹性模型中的参数,并对钢-混凝土组合梁桥在长期荷载作用下的竖向变形和轴向应变进行了研究,通过对计算和试验结果进行对比分析验证了该法的准确性。     

非线性弹性大变形材料梁的抗爆特性

从理论上探讨了非线性弹性大变形材料应用于抗爆结构的可行性,为此,基于等效结构体系的分析原理,将两端固定铰支梁的横向和纵向位移表示为三角级数形式,应用第二类Lagrange方程建立了非线性大变形材料梁的非线性分析方法,并且用ABAQUS有限元软件中的超弹性材料模型验证了所提出的方法的有效性。对典型的爆炸荷载作用下非线性弹性大变形材料梁的抗爆特性进行了分析,讨论了动力放大系数和材料性质及动荷载之间的关系。结果表明:与线弹性小变形材料相比,非线性弹性大变形材料具有优良的抗爆特性,结构的抗爆能力随结构变形的增大而显著提高。     

混凝土动态双轴拉压破坏准则细观数值模拟研究

正常服役期内的混凝土结构往往处于复杂应力状态,并且不可避免地会受到偶发动力载荷作用.对于复杂载荷作用下的混凝土力学性能研究,破坏准则是基础.受试验设备等条件限制,现有的动态双轴拉压破坏准则形式复杂、缺乏更高应变率和侧应力比范围且尚未综合考虑应变率和侧应力比的耦合作用.为进一步提出适用范围更高且更准确的混凝土动态双轴拉压...     

碳纤维复合材料冲击模型率相关修正方法与试验研究

目前先进航空发动机的风扇叶片均采用复合材料结构,为了研究其在工作过程中可能受到的冲击损伤,即碳纤维增强树脂基复合材料受到高速冲击后的损伤与破坏过程,对其准静态下的正交各向异性本构模型和失效准则进行修正,建立了应变率相关的三维动态本构及损伤模型．该模型考虑了材料模量、强度和断裂韧性与应变率的相关性,并采用基于断裂韧性的渐进损伤模式对刚度进行折减来控制破坏过程．开展了不同应变率下的动态试验,得到基体方向拉伸与剪切的动态响应数据,拟合得到相应的动态修正因子．将该模型结合修正因子植入数值软件进行仿真计算,分析结果表明,所建立的率相关本构及损伤模型能够更准确地模拟层合板受冲击过程的损伤和破坏,与试验吻合较好．     

混凝土WW三参数率相关动态本构模型

根据一致粘塑性模型理论，结合所做的混凝土单轴动力特性试验，对常用的混凝土本构模型Willam—Warnke三参数模型进行改进，引入应变率的影响，推导了Willam—Warnke材料的动态率相关本构模型；并与试验的应力应变曲线进行比较，结果表明本文模型能够较好地反应混凝土的动力特性；最后，通过对一受冲击荷载的简支梁进行计算，并与线弹性及率无关塑性结果进行比较，结果表明考虑了应变率的影响后梁的动力特性发生了较大的变化。     

单轴压缩下断续节理岩体动态损伤本构模型

断续节理将对工程岩体的强度及变形等力学特性产生显著影响,损伤力学中视节理为岩体的一种宏观损伤,因而采用损伤张量来刻画其对岩体的影响。目前学术界提出了用节理的几何、强度及变形等3类参数来描述节理的物理力学性质,而目前的岩体损伤张量计算方法都只涉及前2类参数,均没有涉及其变形参数即法向及切向刚度。为此,在前人研究的基础上,基于断裂及损伤理论提出了考虑节理法向及切向刚度的单轴压缩下单条断续节理引起的损伤张量计算公式,进而通过考虑节理间相互作用给出了单组单排或多排节理岩体损伤张量计算公式。其次,以岩石细观动态损伤模型为基础,结合宏细观损伤耦合观点提出了一个能够同时考虑节理几何、强度及变形参数的断续节理岩体动态损伤本构模型。最后,利用该模型讨论了节理参数及载荷应变率等对岩体动态力学特性的影响,认为节理长度减小及摩擦角增大将导致岩体动态峰值强度及弹性模量增大;岩体动态峰值强度及弹性模量则随着节理法向及切向刚度的增大分别减小或增大;而当节理法向及切向刚度按照同一比例增大时,岩体动态峰值强度及弹性模量则是增大的。岩体动态峰值强度与载荷应变率呈正相关。     

聚酯纤维对透水沥青混凝土冲击压缩性能的影响

为研究聚酯纤维对透水沥青混凝土冲击压缩性能的影响,采用?74 mm钢质分离式霍普金森压杆装置对掺杂不同质量分数的聚酯纤维透水沥青混凝土进行冲击压缩实验。在静态和4个应变率下的实验结果表明,透水聚酯纤维沥青混凝土是应变率敏感性材料,具有较强应变率效应。透水聚酯纤维沥青混凝土具有较好的延展性,动态应力应变曲线分为3个阶段:弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏阶段。当应变率相同时,随着掺杂聚酯纤维质量分数的增大,透水沥青混凝土的冲击抗压强度呈现出先升高后降低的变化规律,掺杂聚酯纤维的质量分数为0.40%时,冲击抗压强度达到最大。冲击抗压强度约为静态抗压强度的8~13倍。     

冻融循环冻土的冲击动态力学性能

以典型冻土为研究对象,通过不同冻融循环次数的冻融循环实验、不同温度的冻结实验以及不同应变率的冲击动态实验,综合研究了冻融循环冻土的冲击动态力学性能。结果表明,冻土存在冻融循环效应,随着冻融循环次数的增加,冻土的峰值应力有一定程度的降低,但在达到临界冻融循环次数后,峰值应力将维持稳定;同时,冻土表现出明显的应变率效应和温度效应,其峰值应力随应变率的增加或温度的降低而增加。通过定义冻融损伤因子,推导满足Weibull分布的冲击损伤,提出了一个基于Z-W-T方程的损伤黏弹性本构模型。该模型可较好地描述冻融循环后冻土的冲击动态力学行为,为研究季节性冻土区冻土的冲击动态破坏提供参考。     

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。     

静动组合载荷下混凝土率效应机理及强度准则

混凝土结构在受到动载荷作用之前,通常已承受着初始静载荷的作用.大量关于混凝土应变率效应的研究均没有考虑初始静载荷对动强度的影响,会导致过高地估计混凝土的动强度,使混凝土结构设计偏于危险.本文通过分析混凝土材料在静动组合载荷下的率效应机理,给出了初始静载荷的定义.在此基础上,推导了混凝土材料参数与初始静载荷和应变率的表达式,提出了建立静动组合强度准则的一般方法.通过材料参数反映初始静载荷与应变率的联合影响,给出了由初始有效静载荷、动态黏聚强度和摩擦强度共同组成的混凝土动态强度,将广义非线性强度准则发展为静动组合多轴强度准则.建立的强度面在相同初始静载荷下随应变率的增大向外扩张,在相同应变率下随初始静载荷的增大向里收缩,即混凝土的强度在相同初始静载荷下随应变率的增大而增大,在相同应变率下随初始静载荷的增大而减小.此外,当初始静载荷和应变率不变时,加载路径对混凝土材料的应变率效应无影响,但会影响混凝土材料的静水压力效应,即当初始静载荷和应变率固定不变时,静动组合强度面的位置和大小即可确定,不同加载路径下强度的不同是由于静水压力效应导致的.最后利用多组混凝土材料静动组合强度试验对建立的静动组合强度准则进行了验证.