爆炸荷载下基于细观建模的素/钢筋混凝土板破坏模式

为了获得爆炸荷载下细观结构对素/钢筋混凝土板的影响，采用随机骨料投放建立了素/钢筋混凝土板细观模型。利用LS-DYNA对基于细观建模的钢筋混凝土板进行爆炸荷载作用下的数值模拟，通过与实验以及均质建模方法进行比较，验证了细观建模方法的准确性。进而研究了基于细观建模的素/钢筋混凝土板在不同爆炸荷载下的结构响应，获得了素/钢筋混凝土板的响应过程和破坏模式。结果表明:在低药量（1、2 kg）爆炸荷载下，细观结构对素/钢筋混凝土板的影响较小，其破坏模式以纵横塑性铰线破坏为主，药量越大，铰线越多；在高药量（5、10和15 kg）爆炸荷载下，细观结构对素/钢筋混凝土板的影响较大，与均质模型相比存在较大差异，细观素/钢筋混凝土板以爆坑为中心，产生环向与径向裂纹，药量越大，圆坑越大，裂纹越多，板局部破坏越严重。     

三维随机凹凸型混凝土骨料细观建模方法研究

为了提高混凝土细观力学中数值模拟预处理的要求,提出了一种网格预先生成的三维随机凹凸型混凝土骨料建模方法。该方法利用已生成的网格状态进行骨料投放,有效解决了在细观三相介质中网格质量问题。采用随机凹凸型骨料使骨料模型更加接近真实形态,避免了该方法对骨料形貌描述不准确。同时,提出一种四面体分割法来判断空间三维骨料与单元节点的位置关系,进行细观三相介质单元判断,该方法可保证投放的随机性以及级配分布的合理性,三维投放骨料含量可达到65%。采用本文提出的预处理方法,结合混凝土塑性损伤模型,分析了钢筋锈蚀引起的保护层开裂破坏过程,结果表明:受随机骨料的影响,顺筋裂纹的产生具有不确定性。     

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。     

混凝土中心裂缝单轴拉伸损伤断裂数值模拟研究

基于对混凝土细观力学的认识,假定混凝土是由砂浆基质,骨料及它们之间的界面组成的三相复合材料,各组分的材料性质按照某个给定的Weibull分布来赋值,细观单元满足弹性损伤的本构关系,应用细观力学损伤模型研究了混凝土的宏观力学性质,并且通过有限元程序对中心裂缝混凝土试件在单向拉伸情况下的破坏过程进行了数值模拟.模拟结果表明,该模型可以用来研究单向载荷作用下混凝土结构的破坏机理.     

轻粗骨料含量对混凝土抗压性能尺寸效应影响的细观数值模拟

为了研究轻粗骨料含量对轻骨料混凝土立方体抗压破坏行为与尺寸效应的影响，本文根据瓦拉文公式确定轻粗骨料数量，借助混凝土细观数值建模方法分别建立了边长为100 mm、150 mm、300 mm、450 mm的二维轻骨料混凝土细观数值模型．采用塑性损伤本构模型，通过细观数值模拟研究了不同试件尺寸及不同轻粗骨料含量的轻骨料混凝土在单轴受压下的破坏形态及宏观应力-应变关系曲线．结果表明，在相同试件尺寸下，轻粗骨料含量对轻骨料混凝土单轴抗压强度有一定影响，受压破坏时轻粗骨料颗粒破坏．比较轻粗骨料含量相同的轻骨料混凝土立方体抗压性能发现，轻骨料混凝土尺寸效应明显，单轴抗压强度随试件尺寸增大而减小，且粗骨料含量影响轻骨料混凝土的尺寸效应．此外，细观数值模拟结果表明Ba?ant尺寸效应律适用于轻骨料混凝土的抗压性能．     

基于SPH方法的聚能射流侵彻混凝土靶板数值模拟

在完全变光滑长度SPH(smoothed particle hydrodynamics)方法的基础上,利用F.Ott等提出的修正SPH方法处理在求解多介质大密度问题时的数值不稳定性问题,运用Holmquist-Johnson-Cook本构模型处理混凝土在冲击载荷下的变形和损伤问题,对聚能装药射流侵彻混凝土靶板的过程进行了数值模拟,同时利用LS-DYNA非线性有限元程序进行对比,分析了2种方法得到的混凝土von Mises应力变化、射流头部特定节点处的速度变化及裂纹演变,验证了SPH方法的准确性。分析了另外2种不同尺寸的靶板在射流侵彻作用下的破坏形式,结果符合射流侵彻物理规律,表明该方法适合模拟聚爆炸与冲击等大变形破坏等问题。     

基于细观力学的混凝土弹塑脆性损伤研究

将混凝土假定为一种由硬化水泥砂浆、粗骨料、界面粘结带所组成的三相复合材料,在满足骨料级配曲线算法的基础上,采用细观单元的弹塑脆性损伤本构关系,考虑材料的非均质特性,建立了基于细观力学的混凝土弹塑脆性损伤数值模型;分别研究了单轴受拉预置裂纹试样和单轴受压混凝土试样的细观弹塑脆性损伤破坏行为,并揭示了混凝土的宏观表征强度存在明显的尺寸效应,通过将计算结果与 Bazant 尺寸效应公式、单轴受压物理实验曲线进行对比,验证了模型的正确性。数值试验表明：该模型可以清晰地模拟混凝土细观塑性屈服和失效裂纹的萌生和扩展。骨料与水泥砂浆间的界面粘结带相对薄弱,在混凝土试件形成宏观损伤局部化带前,试件的屈服和破坏首先发生在骨料边缘处的界面位置,并沿着界面粘结带扩展、贯通;同时,导致宏观裂纹形成和发展的因素仍以细观单元的拉伸破坏为主。     

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。     

混凝土细观组成对弹体正侵彻过程影响的数值模拟研究

从细观组成出发,根据已有文献中的随机骨料模型,将混凝土看作是骨料、砂浆与二者之间的界面过渡区构成的三相复合材料,利用程序语言C++6.0实现了三维随机骨料模型建模。采用动力学分析软件LS-DYNA对S.J.Hanchak部分混凝土靶板穿透试验(未考虑钢筋影响)进行了数值模拟,并对比连续均匀模型分析了混凝土细观组成对弹体的剩余弹速、靶板的破坏现象及损伤分布的影响,结果表明:仅考虑弹体侵彻混凝土靶板问题中的剩余速度参数,随机骨料模型与连续均匀模型所得结果基本一致;为提高计算效率,采用连续均匀模型进行分析即可。另一方面对不同骨料粒径(10mm~20mm、20mm~30mm、30mm~40mm、40mm~50mm、50mm~60mm、60mm~70mm)、速度范围为360m/s~1058m/s下弹体正侵彻混凝土靶板进行了数值计算,研究了骨料粒径及速度对弹体偏转角、峰值加速度的影响,并将数值计算结果与连续均匀模型进行了对比。结果表明:在本次计算中,骨料粒径对弹体的偏转有较大影响,弹体剩余速度随着平均骨料粒径、弹体直径比的增大而减小;峰值加速度随着平均骨料粒径、弹体直径比的增大而增大。     

冲击荷载作用下混凝土材料的细观本构模型

将混凝土材料看成是水泥砂浆基体和粗骨料颗粒组成的2相复合材料,假设水泥砂浆基体和粗骨料颗粒均为弹性、均匀、各向同性的,粗骨料颗粒为球形。基于Mori-Tanaka理论和Eshelby 等效夹杂理论推出了混凝土材料弹性模量的计算公式。在Horii和Nemat-Nasser提出的脆性材料在双轴向压应力作用下破坏的滑移裂纹模型基础上,运用细观力学方法推导了微裂纹对材料弹性模量的弱化作用以及微裂纹的损伤演化方程。建立了混凝土材料在冲击荷载作用下的一维动态本构模型,模拟曲线与实验曲线符合良好,因而可以用该模型模拟混凝土材料在冲击荷载下的动态特性。     

基于网格生成的随机凹凸型混凝土骨料细观建模方法

基于目前混凝土细观数值分析多采用二维模型,提出了一种基于网格预先生成的二维随机凹凸型骨料的混凝土细观建模方法。该方法利用已生成的网格状态进行骨料投放,有效解决了在细观三相介质中的网格质量问题。采用随机凹凸型骨料使骨料模型更加接近真实形态,避免了该方法对骨料形貌描述不准确的问题。该方法可保证投放的随机性以及级配分布的合理性,二维投放骨料含量可达75%。最后,采用混凝土损伤塑性模型模拟了混凝土保护层锈胀开裂的细观断裂破坏过程,分析了混凝土裂纹萌生、扩展过程及破坏形态,数值结果与实验结果吻合良好。     

Three-dimensional mixed-mode stress intensity factors for cracks in functionally graded materials using enriched finite elements

Three-dimensional enriched finite elements are used to compute mixed-mode stress intensity factors (SIFs) for three-dimensional cracks in elastic functionally graded materials (FGMs) that are subject to general mixed-mode loading and constraint conditions. The method, which advantageously does not require special mesh configuration/modifications and post-processing of finite element results, is an enhancement of previous developments applied so far on isotropic homogeneous and isotropic interface cracks. The spatial variation of FGM material properties is taken into account at the level of element integration points. To validate the developed method, two- and three-dimensional mixed-mode fracture problems are selected from the literature for comparison. Two-dimensional cases include: inclined central crack in a large FGM medium under uniform tensile strain and stress loadings, a slanted crack in a finite-size FGM plate under exponentially varying tensile stress loading and an edge crack in a finite-size plate under shear traction load. The three-dimensional example models a deflected surface crack in a finite-size FGM plate under uniform tensile stress loading. Comparisons between current results and those from analytical and other numerical methods yield good agreement. Thus, it is concluded that the developed three-dimensional enriched finite elements are capable of accurately computing mixed-mode fracture parameters for cracks in FGMs.     

冲击荷载与火灾联合作用下SFRC梁的力学行为

为了探究冲击荷载与火灾联合作用下钢纤维混凝土(steel fiber reinforced concrete, SFRC)梁的力学性能，联合应用高性能落锤试验系统、四点弯曲实验装置与装配式电炉开展了4根SFRC梁的冲击实验与高温恒载实验，观察了其破坏模式并记录了跨中位移和钢筋应变的时程曲线，探讨了冲击损伤SFRC梁的抗火性能。此外，在实验研究的基础上，考虑材料的应变率强化效应及温度软化效应，建立数值模型，首先对梁进行冲击加载模拟，并以冲击模拟结果为初始状态，采用热-力“顺序”耦合方法，对冲击加载与高温恒载联合作用下SFRC梁的力学行为进行了三维宏观有限元数值模拟。同时，考虑混凝土内部结构非均质性的影响，采用类似步骤，开展了细观模拟。宏/细观模拟结果与实验结果的良好吻合验证了本文数值方法的合理性与有效性，并体现了细观方法的优越性。研究发现，冲击能量较小时，SFRC梁在冲击荷载作用下，尽管局部混凝土开裂，梁整体残余变形较小，抗火性能有一定程度的下降；随着钢纤维掺量增大，混凝土基体抗剪强度增大，SFRC梁在冲击荷载作用下的开裂形态由弯剪裂缝并存向以弯曲裂缝为主转变；冲击损伤SFRC梁在高温恒载作用下裂缝分布较为集中，且发生脆性破坏。     

混凝土三维细观接触面模型数值模拟与CT试验验证

对混凝土三维随机骨料模型进行了改进,在骨料和砂浆之间加入了"面-面接触单元"模拟两者的接触特性,编制了相应的命令程序,称新模型为混凝土接触面模型.采用双折线损伤演化模型进行计算,对数值模拟结果进行了分析研究.从混凝土破坏过程图和荷载-位移曲线图两方面与CT试验结果进行了比较,表明试件破坏时裂纹的萌生、扩展过程与CT试验...     

利用无网格方法分析斜拉破坏钢筋混凝土梁

从传统的混凝土分离裂缝模型和弥散裂缝模型出发，使用不同的模型模拟不同发展阶段的混凝土裂缝，并利用无网格方法可以灵活布置节点和边界的优点，使分离裂缝模型的使用得到很大的简化。通过在宏观裂缝表面布置基于试验结果的混凝土与混凝土界面单元，正确地模拟了裂缝表面抗剪能力的变化。算例表明，使用本文方法可以准确模拟斜拉破坏混凝土梁的破坏过程，且精度和数值稳定性要高于传统的有限元弥散裂缝方法。     

弹体对混凝土材料先侵彻后爆炸损伤破坏效应的数值模拟研究

基于Kong-Fang混凝土材料模型和LS-DYNA的流固耦合和重启动算法,开展了某新型钻地武器先侵彻后爆炸对混凝土靶体的毁伤破坏效应研究。通过模拟大口径缩比弹侵彻实验和预制孔爆炸实验,验证了材料模型及其参数的可靠性。在此基础上,进一步对预制孔装药爆炸建模、不考虑弹壳的重启动建模和考虑弹壳的重启动建模3种方法进行了比较。数值计算结果表明,由于爆轰产物的外泄,不考虑侵彻预损伤的预制孔装药爆炸方法得到的爆坑直径仅为3倍弹径,且损伤破坏模式与其他2种方法得到的损伤破坏模式区别较大。重启动建模方法继承了弹体侵彻过程中累积的损伤,爆坑直径在原有侵彻损伤破坏的基础上明显增大;且由于弹壳变形破碎消耗部分能量,考虑弹壳时模拟得到的爆坑直径（约14.5倍弹径）略小于不考虑弹壳时模拟得到的爆坑直径（约16倍弹径）;但由于破碎弹头的二次侵彻作用,考虑弹壳时模拟得到的爆坑深度比不考虑弹壳时模拟得到的爆坑深度增加约5%。上述研究结果可为进一步开展钻地武器先侵彻后爆炸毁伤破坏效应的实验研究提供参考。     

Analysis and modelling of the cohesion strength of concrete at high strain-rates

With the exponential increase of computational power, numerical simulations are more and more used to model the response of concrete structures subjected to dynamic loadings such as detonation near a concrete structural element or projectile-impact. Such loadings lead to intense damage modes resulting from high strain-rate tensile loadings in the concrete structure. However, the modelling of the post-peak tensile response of concrete still remains difficult due to the lack of experimental data at high strain-rates. This work aims at improving the modelling of the softening behaviour of concrete based on the following statement: despite the propagation of unstable cracks in the tested specimen cohesion strength exists in the vicinity of triggered cracks and is driving the whole softening behaviour of concrete. This statement is justified in the present work by means of experiments and Monte-Carlo calculations: firstly, concrete samples have been subjected to a dynamic tensile loading by means of spalling experiments. Several specimens have been recovered in a damaged but unbroken state and have been subsequently loaded in quasi-static tensile experiments to characterise the residual strength and damage level in the sample. In addition, Monte-Carlo simulations have been conducted to clarify the possible influence of cohesion strength in the vicinity of cracks. Finally, the DFH (Denoual–Forquin–Hild) anisotropic damage model has been adapted to take into account the cohesion strength in the damaged zone and to describe the softening behaviour of concrete. Numerical simulations of experiments conducted on dry and saturated samples at different levels of loading-rate illustrate the new capability of the model.     

FINITE ELEMENT MODELLING OF COMPLEX 3D STATIC AND DYNAMIC CRACK PROPAGATION BY EMBEDDING COHESIVE ELEMENTS IN ABAQUS

<正>This study proposes an algorithm of embedding cohesive elements in Abaqus and develops the computer code to model 3D complex crack propagation in quasi-brittle materials in a relatively easy and efficient manner.The cohesive elements with softening traction-separation relations and damage initiation and evolution laws are embedded between solid elements in regions of interest in the initial mesh to model potential cracks.The initial mesh can consist of tetrahedrons,wedges,bricks or a mixture of these elements.Neither remeshing nor objective crack propagation criteria are needed.Four examples of concrete specimens,including a wedge-splitting test,a notched beam under torsion,a pull-out test of an anchored cylinder and a notched beam under impact,were modelled and analysed.The simulated crack propagation processes and load-displacement curves agreed well with test results or other numerical simulations for all the examples using initial meshes with reasonable densities.Making use of Abaqus's rich pre/post-processing functionalities and powerful standard/explicit solvers,the developed method offers a practical tool for engineering analysts to model complex 3D fracture problems.     

混凝土材料宏观力学特性分析的细观单元等效化模型

提出了一种混凝土材料宏观力学特性分析的新方法—细观单元等效化模型。该方法从描述混凝土材料的细观尺度入手,采用Monte Carlo法生成由骨料颗粒及砂浆基质组成的混凝土试件的随机骨料模型;然后,依据混凝土材料特征单元尺度来剖分有限元网格并投影到建立的随机骨料模型上,各细观单元的有效力学特性则采用复合材料等效化方法来确定。本文方法体现了材料非线性宏观力学特性源于其内在的不均匀性这一认识,而对不均匀性的描述则是以网格剖分是否影响其宏观力学特性为准则。因此,本文方法较其他细观力学方法最大的优点在于极大地减小了体系自由度数目（特别是对于三维问题）,从而提高了计算效率。算例分析初步验证了本文方法的高效性。