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.     

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。      

围压状态下的混凝土本构模型

利用已有不同围压下的混凝土三向压缩试验, 分析研究不同围压条件对混凝土强度和应力-应变关系的影响。试验表明, 把混凝土简单视为脆性材料的观点并不符合实际情况, 塑性特征也是混凝土材料主要力学特征。由热力学定律出发, 本文提出了多次方形式的屈服函数和与围压状态相关联的损伤标准化函数, 提出了考虑围压状态的混凝土本构模型。试验结果与数值计算比较表明, 该本构关系可以很好地描述混凝土在不同围压状态下的力学损伤发展和脆-塑性转换力学特征, 也可以描述拉伸作用下的应力-应变关系, 具有一定的普遍意义。     

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。     

混凝土率型内时损伤本构模型

混凝土是一种典型的率敏感材料,为了更好地描述混凝土结构在动力、冲击荷载作用下的强度和变形特征,本文结合内时理论和损伤理论建立了一种考虑混凝土率效应的内时损伤本构模型。该模型的特点:将混凝土材料的受力软化效应分解为密实状态的塑性效应和由微裂缝扩展引起的刚度退化效应。前者由内时理论来描述,这使该模型摆脱了一般弹塑性模型中屈服面的概念,从而更符合混凝土的变形特性,并且简化了非线性计算过程;后者由损伤理论来描述,根据混凝土的动力试验结果建立了增量型的损伤演变方程,从而使该模型能够较好地反映混凝土的动力特性。最后,应用本文建议的模型对一钢筋混凝土简支梁进行了非线性分析,结果表明:当结构承受快速荷载作用时,应变率对结构的受力性能影响较大,在进行结构分析时必须予以考虑。     

强冲击载荷作用下钢筋混凝土本构关系的研究

基于复合材料细观思想,通过研究钢筋混凝土代表性体积单元,提出了理想情况下钢筋混凝土本构关系可由混凝土材料粘弹性本构关系与一个依赖于增强钢筋材料特性的常量G的乘积确定的思想;假设损伤只发生在混凝土材料内部,并给出了一般的损伤演化方程．由此得到了单向加筋、正交双向加筋和正交三向加筋混凝土的损伤型动态本构关系．数值拟合表明,理论预示曲线与试验结果曲线吻合良好．     

基于单弹簧联结单元法的钢筋混凝土梁损伤模拟

钢筋混凝土梁的损伤模拟的重难点在于描述两种材料非线性的本构关系以及钢筋混凝土粘结滑移关系非线性的描述,采用单弹簧联结单元法模拟钢筋和混凝土相互作用,结合混凝土四参数损伤模型,模拟钢筋混凝土结构多轴应力状态下从开始加载到结构破坏的全过程。数值算例不仅体现该方法的有效性,也具有重要的工程实践意义。     

冲击载荷下混凝土动态力学性能研究进展

系统总结了国内外研究者在混凝土动态抗压强度、抗拉强度和平板冲击实验研究方面所取得的最新进展,在此基础上分析了适用于冲击问题的混凝土本构模型的构建要素。对有代表性的用于数值模拟冲击问题的几个混凝土本构模型,如J-H模型、Forrestal模型、RHT模型和Malvar模型等。从极限面、状态方程以及损伤的定义及其演化等方面进行了深入分析,据此分析总结了混凝土动态本构模型的研究状况及发展趋势。     

基于砼SHPB试验数值分析的HJC模型参数研究

为了研究混凝土HJC本构模型的参数取值及其参数对混凝土动态性能的影响,本文基于HJC模型原始参数,运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对混凝土SHPB试验进行了数值模拟,结果显示数值计算结果与试验结果存在一定的差异。据此根据模型中参数的物理意义确定出可能影响混凝土动态性能的关键参数,通过保持其他参数不变、改变关键参数的方法对混凝土SHPB试验进行数值分析,得到了各关键参数对混凝土动态性能的影响规律,并基于该分析结果对HJC模型的原始参数进行了修正。数值模拟结果表明,采用本文修正参数的计算结果与试验结果吻合良好,能较准确地反映混凝土的动态性能。     

混凝土材料动态性能的经验公式、强度理论与唯象本构模型

混凝土是一种应用广泛的结构工程材料, 其材料组份复杂、变化因素多, 因而力学 特性也复杂多变. 动\linebreak 态/强冲击载荷作用下, 还涉及了材料应变率敏感效应和静水 压力相关特性等诸多影响因素, 使得其本构理论的研究更加困难. 本文中, 回顾了 近20多年来混凝土材料动态力学特性和本构关系研究方面的进展状况, 主要总结了 混凝土材料动态本构特性研究中的经验公式、强度理论和本构模型, 并在分析 比较的基础上给出了相应的讨论和评述.     

强动载荷下金属材料塑性变形本构模型评述

爆炸、高速冲击等强动载荷作用下金属材料塑性流动的本构模型研究是冲击动力学领域备受关注的课题,近几十年来的研究成果极大地推动了冲击波物理、冲击动力学、材料科学等领域的发展. 本文对金属材料塑性变形动力学数值计算中重要的、得到普遍应用的本构模型进行了回顾和评述,进一步明确其适用范围、优点和不足,为冲击载荷下材料响应的数值模拟对本构模型的选取提供参考. 其中最新的、适用范围最广的PTW本构模型应给以特别地关注,其研究方法及应用前景都值得我们借鉴和期待.      

基于动态本构模型的整流罩铰链系统自冲击分析

整流罩铰链系统结构分析是大型整流罩分离分析的重要环节,也是国内新一代运载火箭研制过程中的关键技术之一。基于30CrMnSiA和ZTC4-1的力学性能试验研究,得到材料的动态本构模型,并建立整流罩及动态本构模型下的铰链系统有限元模型。通过非线性显式动力学分析方法,对铰链系统自冲击过程进行仿真,得到冲击作用下铰链系统的应力和应变情况,并通过内力分析得到自冲击过程中铰链系统的主要内力形式。最后,通过比较铰链系统动态本构与准静态本构下的自冲击响应,验证并说明了动态本构模型对铰链系统自冲击仿真的影响。计算结果表明,自冲击作用会使铰链系统发生塑性变形,且动态本构模型有利于反映真实结果,为新一代运载火箭的研制提供一定的参考价值。     

钨合金弹体对混凝土靶的超高速侵彻机理

为研究钨合金弹体超高速侵彻混凝土靶的相关机理,构建了适用于超高速撞击的金属强度模型、失效模型和混凝土的本构模型,对93钨合金弹体超高速撞击混凝土靶问题进行了数值模拟。开展了钨合金弹体超高速撞击混凝土靶实验,分析了靶板成坑特性,研究了侵彻总深度和残余弹体长度随撞击速度的变化规律,理论分析了长杆钨弹超高速撞击混凝土的侵彻模型和混凝土靶内的应力波传播。得到以下主要结论:（1）利用金属及混凝土的新本构模型获得的超高速撞击混凝土靶的破坏形貌数值模拟结果与实验结果一致;（2）超高速撞击条件下混凝土靶成坑为“弹坑＋弹洞”形,成坑体积与弹体动能近似成正比;（3）超高速撞击条件下,侵彻深度随弹速提高呈现先增大后减小的现象,高速段侵深降低是弹体经历销蚀侵彻后“刚体侵彻阶段”减少造成的;（4）建立的钨合金超高速撞击混凝土侵彻分析模型,可用来预估侵彻深度、残余弹长、蘑菇头直径等参数;（5）采用建立的超高速撞击混凝土靶内应力波传播理论模型得到的计算结果与实验结果吻合较好。     

纤维增强聚合物约束混凝土柱轴压本构模型研究新进展

较全面总结了纤维增强聚合物约束混凝土的本构模型最新进展,分析了各类模型的理论基础、特点、存在的问题,探讨了纤维增强聚合物约束混凝土轴压强度与变形规律、破坏机制等,总结了影响本构模型的主要影响因素,如约束应力的计算、纤维增强聚合物实际破坏应变值等,为今后对本构模型比较分析提供了基本框架.     

本构模型对复合材料中X射线热击波数值模拟结果的影响

以碳酚醛靶中的一维应变热击波为例,讨论本构模型对热击波数值模拟结果的影响.数值模拟采用3种本构模型,即各向同性理想弹塑性本构模型、各向异性理想弹塑性本构模型及各向异性动态弹塑性本构模型.结果表明:与各向同性理想弹塑性、各向异性理想弹塑性本构模型相比,利用各向异性动态弹塑性本构模型获得的热击波应力峰值较小、应力峰值衰减较...     

纤维增强混凝土材料的界面剪应力分布研究

针对纤维与混凝土界面的破坏过程,提出了几种简化的粘结-滑移本构模型,以双线性局部粘结-滑移本构模型为基础,在受力平衡和变形协调的基本原理基础上,推导了纤维脱粘过程中界面剪应力的解析解.采用弹簧粘结单元,通过数值方法模拟了纤维与混凝土之间的粘结-滑移过程,给出了纤维与混凝土界面脱粘过程中界面剪应力的分布、变化情况.对解析解、有限元计算结果和试验结果之间的差异进行了对比分析,验证了简化模型的合理性和有效性.