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...     

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．     

混凝土静力与动力损伤本构模型研究进展述评

对混凝土材料在静力和动力载荷作用下的损伤本构关系模型进行了评述.梳理了混凝土本构关系研究的历史脉络和逻辑脉络;归纳总结了在混凝土本构关系研究发展过程中具有代表性意义、并且对重大工程建设具有参考意义的若干混凝土静力和动力损伤本构模型.基于对混凝土材料非线性及随机性的理解和诠释,阐述了混凝土静力和动力本构关系研究的发展趋势.      

考虑非稳定蠕变及温度效应的碾压混凝有限元分析

本文将混凝土的瞬态热传导和徐变过程与内时损伤本构模型相结合、给出碾压混凝土考虑非稳定蠕变及温度影响下损伤破坏的非线性有限元计算格式，并编制出相应的分析程序，最后以实例进行了分析计算。     

考虑非稳定蠕变及温度效应的碾压混凝土有限元分析

本文将混凝土的瞬态热传导和徐变过程与内时损伤本构模型相结合，给出碾压混凝土考虑非稳定蠕变及温度影响下损伤破坏的非线性有限元计算格式，并编制出相应的分析程序，最后以实例进行了分析计算。     

混凝土材料冲击特性的研究

基于混凝土材料强冲击加载下的试验研究，提出了两种损伤型动态本构模型： 损伤型黏弹性本构模型和损伤与塑性耦合的本构模型. 通过模型计算结果与冲击试验结果的 比较可发现，随着冲击速度的提高，混凝土材料内部产生了显著的塑性变形，由此 损伤型黏弹性本构模型的应用就存在一些不足. 而损伤与塑性耦合的本构模型由于考虑了裂 纹扩展引起的材料强度和刚度的弱化，以及微空洞缺陷塌陷引起的塑性变形，因而能更好地 用于模拟强冲击载荷作用下混凝土材料的冲击响应特性.     

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。     

强冲击荷载作用下混凝土材料动态本构模型

基于混凝土强冲击荷载作用下的实验研究,以修正Ottosen四参数破坏准则为流动法则,引入损伤,构造了一个塑性与损伤相耦合的动态本构模型用于描述混凝土材料的冲击特性.在该模型中,考虑了引起混凝土材料弱化的两种不同的损伤机制:拉伸损伤和压缩损伤.其中,拉伸损伤是由微裂纹的张开和扩展引起的,通过拉伸应变来控制;压缩损伤相关于微空洞体积分数比的演化,并通过微空洞塌陷引起的压缩应变来控制,由此压缩损伤和拉伸损伤就完全耦合了.通过模型计算模拟结果与实验结果比较发现,随着冲击速度的提高,混凝土的峰值应力显著增加,即混凝土材料的承载能力增大,同时混凝土内部产生显著的塑性变形.模拟曲线与实验曲线拟合良好,因而可以用该模型模拟混凝土材料在强冲击荷载下的动态特性.     

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.     

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。     

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.     

基于Weibull分布的盐岩分数阶蠕变本构模型研究

采用流变程控仪对湖北江汉油田盐岩试样进行了三轴蠕变实验。基于Weibull随机分布获得岩石损伤变量随加载时间的变化形式,构建了变黏性系数Abel粘壶本构关系。基于分数阶微分理论,采用将变黏性系数Abel粘壶替代西原正夫模型中Newton粘壶的方法,建立了盐岩蠕变损伤本构模型,并采用最小二乘法拟合获得了该本构模型中的参数。通过拟合曲线对比发现,本文提出的盐岩分数阶蠕变本构模型在描述盐岩的蠕变全过程,尤其是加速蠕变过程中具有较明显的优势,并且验证了西元正夫模型为本文所提出的本构模型的一个特例。     

First-order gradient damage theory

Taking the strain tensor, the scalar damage variable, and the damage gradient as the state variables of the Helmholtz free energy, the general expressions of the firstorder gradient damage constitutive equations are derived directly from the basic law of irreversible thermodynamics with the constitutive functional expansion method at the natural state. When the damage variable is equal to zero, the expressions can be simplified to the linear elastic constitutive equations. When the damage gradient vanishes, the expressions can be simplified to the classical damage constitutive equations based on the strain equivalence hypothesis. A one-dimensional problem is presented to indicate that the damage field changes from the non-periodic solutions to the spatial periodic-like solutions with stress increment. The peak value region develops a localization band. The onset mechanism of strain localization is proposed. Damage localization emerges after damage occurs for a short time. The width of the localization band is proportional to the internal characteristic length.     

考虑损伤的内变量黏弹-黏塑性本构方程

基于Rice 不可逆内变量热力学框架,在约束构型空间中讨论材料的蠕变损伤问题. 通过给定具体的余能密度函数和内变量演化方程推导出考虑损伤的内变量黏弹-黏塑性本构方程. 通过模型相似材料单轴蠕变加卸载试验对一维情况下的本构方程进行参数辨识和模型验证,本构方程能很好地描述黏弹性变形和各蠕变阶段.不同的蠕变阶段具有不同的能量耗散特点. 受应力扰动后,不考虑损伤的材料系统能自发趋于热力学平衡态或稳定态. 在考虑损伤的整个蠕变过程中,材料系统先趋于平衡态再背离平衡态发展. 能量耗散率可作为材料系统热力学状态偏离平衡态的测度;能量耗散率的时间导数可用于表征系统的演化趋势;两者的域内积分值可作为结构长期稳定性的评价指标.      

基于爆炸切割试验的有机玻璃本构模型参数反演

为了获取爆炸切割数值模拟中有机玻璃（PMMA）的材料本构模型参数，建立了一种基于神经网络的有机玻璃Johnson Holmquist ceramics (JH-2)本构模型参数反演方法：基于从爆炸切割试验和现有研究得到的JH-2本构模型经验参数，确定本构模型参数的调整区间；使用LS-DYNA数值模拟软件对2.5 mm宽爆炸切割索切割14 mm PMMA平板过程进行数值模拟并收集平板损伤数据集；建立PMMA平板本构模型参数与损伤数据之间的神经网络模型；通过训练完成的神经网络模型对PMMA平板的JH-2本构模型参数进行反演。为验证通过反演参数的可靠性，进行了4.2 mm宽爆炸切割索切割19 mm PMMA平板试验和有限元数值模拟，计算结果中的平板损伤情况与实验结果相差较小，表明通过反演获得的JH-2本构模型参数能较好地应用于PMMA平板爆炸切割数值模拟。传统材料参数获取方法，该参数反演方法相较于可以通过较少的试验及测试，获得比较准确的材料本构模型参数。     

钢纤维增强砂浆的轴拉损伤力学模型

基于Li Fa Ming的平行棒模型,对短钢纤维增强砂浆的平板试件,在直接拉伸条件下的破坏行为进行了分析,假设试件由N根相互平行的复合棒组成,每根复合棒又由一根纤维棒和S根砂浆棒组成,考虑纤维在基体中分布的方向因子和长度因子.砂浆的损伤可按连续损伤力学进行处理,将Loland模型和Mazars模型加以改进来描述.依据多根纤维的拉拨模型,假定纤维与基体间界面的损伤由纤维脱粘长度与纤维插入长度的比值来描述,复合材料的损伤包括基体的损伤和纤维的损伤,借助已有的试验数据和文献资料来确定本构模型中的各种参数,成功建立了短钢纤维增强砂浆直接拉伸应力一应变全曲线模型.所建模型与试件在直接拉伸试验下的应力-应变全曲线进行了对比,结果较为吻合.     

基于损伤分布模型的震损RC框架力学性能分析与实证研究

震损结构的剩余荷载位移响应分析十分重要，是准确评估震后钢筋混凝土(RC)框架结构剩余性能的基础，然而震损结构损伤的不均匀分布为其荷载位移响应的定量分析带来了困难。本文基于纤维梁柱模型提出了一种能够考虑地震损伤不均匀分布的震损RC框架数值模型。基于震损RC框架的损伤现象对其损伤分布进行了量化，考虑了材料损伤沿柱高度与截面深度的分布；基于量化结果分别确定了RC框架中各纤维梁柱单元中不同位置处纤维的损伤本构关系，并对其剩余荷载位移响应进行了定量分析；以一个一榀三层四跨的RC框架试验为算例，对模型进行了验证。结果表明，本文模型能够较为准确地模拟震损RC框架的剩余荷载位移响应，其中最大剩余承载力、刚度和屈服强度等各项指标计算误差均值均在10%以下，因此本文模型能够为震后RC结构的评估工作提供一种新的思路。     

基于近场动力学理论的准脆性材料的本构力函数的构建

近场动力学理论(PD)是基于非局部思想的连续介质力学新理论,用于研究材料破坏问题。根据准脆性材料破坏的线性和非线性的力学行为,在初始微观弹脆性材料(PMB)的本构力函数中引入了键的损伤模型,将键的断裂过程分成了线性的弹性变形阶段和非线性的损伤变形阶段,以此构建了准脆性材料的本构力函数的基本形式。以典型的准脆性材料为例构建了其本构力函数,通过在压缩载荷下对含预制不同角度单裂纹缺陷的类岩材料的裂纹扩展进行PD数值模拟仿真,裂纹起裂位置和扩展方向与试样试验结果在一定程度上保持了一致,证明了该基于近场动力学理论的典型准脆性材料的本构力函数可用于该类材料的破坏分析。     

An energy release rate-based plastic-damage model for concrete

A new plastic-damage constitutive model for concrete is proposed in this paper. A tensile and a shear damage variable are adopted to describe the degradation of the macromechanical properties of concrete. Within the framework of continuum damage mechanics, the elastic Helmholtz free energy is defined to establish the plastic-damage constitutive relation with the internal variables. Regarding the specific format for the effective stress space plasticity, the evolution law for the plastic strains and the explicit expression for the elastoplastic Helmholtz free energy are determined and the damage energy release rates that are conjugated to the damage variables are derived. Thus, damage energy release rate-based damage criteria can be established in conformity to thermodynamical principles. In accordance with the normality rule, evolution laws for the damage variables are obtained to complete the proposed plastic-damage model. Some computational aspects concerning the numerical algorithm implementation are discussed as well. Several numerical simulations are presented at the end of the paper, whose results allow for validating the capability of the proposed model for reproducing the typical nonlinear performances of concrete structures under different monotonic and cyclic load conditions.     

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.