飞机撞击混凝土结构的动力学分析

基于已有的飞机撞击混凝土结构的实验数据,利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,选用可模拟冲击作用下混凝土性能的4种不同材料模型,在同一接触算法、同一失效准则下,进行飞机撞击混凝土结构的数值模拟与动力学分析,探讨了4种混凝土材料模型在模拟飞机撞击下混凝土结构破坏效应的能力。结果表明:4种混凝土材料模型均能模拟飞机撞击混凝土结构的穿入、散裂、碎甲等局部破坏效应,但在考虑正、背面破坏面积及剩余速度等因素时,MAT072R3和MAT084材料模型的计算结果与实验结果较接近,MAT111材料模型次之,MAT159材料模型有较大的差异。本文的研究结果可为后续评估混凝土结构安全壳抵抗飞机撞击能力时提供基础参数。     

用HJC本构模型模拟混凝土SHPB实验

运用Holmquist-Johnson-Cook (HJC) 本构模型对混凝土的SHPB实验进行了数值模拟。解决了罚函数算法中罚因子合理数值的选取问题。利用模拟结果按SHPB两波法重构了试样的应力应变曲线。分析了混凝土材料的SHPB实验得到应力应变曲线的有效段范围和各段的力学规律。通过比较实际混凝土材料SHPB实验和数值模拟得到的应力应变曲线,发现两者体现的力学行为很相似,即HJC模型是描述该类材料的一种合理本构模型。模拟了试样不同平行度公差下的SHPB实验,发现在一定应变率范围内其影响程度远大于试样应力(应变)不均匀性。     

一种新形式的钢纤维混凝土冲击动态本构关系及材料参数的确定

采用?75 mm大口径SHPB系统进行了钢纤维体积率为0%、0.75%、1.5%三种混凝土材料动态性能实验,得出了不同钢纤维含量、不同应变率下的材料应力-应变关系曲线,实验结果表明:随着纤维含量及应变率的增加,钢纤维混凝土材料的峰值应变、峰值应力都随之提高,并在峰值应力之后出现应力的应变软化现象。以此实验结果为基础,提出了一种依赖于应变和应变率相关函数的新型非线性黏塑性动态本构关系,并通过对实验曲线的三步逐次最小二乘优选模拟,得到了相应的材料参数。结果表明,该本构关系对实验数据的模拟效果较好。     

高温下混凝土的本构模拟及破坏分析

针对已建立的高温下混凝土中化学-热-水力-力学耦合过程分析的分级数学模型,发展了混凝土的化学-热-水力-力学(CTHM)耦合本构模型。在已有的Willam-Warnke弹塑性屈服准则基础上发展了考虑脱水和脱盐引起的材料损伤及化学塑性软化、塑性应变硬化/软化和吸力硬化的广义Willam-Warnke本构模型,模拟高温下混凝土的材料非线性行为。为保证全局守恒方程的Newton迭代过程的二阶收敛率,导出了非线性化学-热-水力-力学(CTHM)耦合本构模型的一致性切线模量矩阵。数值结果显示了本文所发展的化学-热-水力-力学(CTHM)耦合本构模型在模拟高温下混凝土中复杂破坏过程的能力和有效性。     

基于石膏材料的小结构重力坝损伤本构模型研究

大坝模型试验的模型材料力学性能是试验成功与否的关键影响因素。基于石膏模型材料基本力学性质和混凝土材料基本相似的实际情况,考虑石膏模型材料的孔隙率,在能量损伤理论模型的基础上,结合工程规范,建立了石膏模型材料的受拉损伤本构模型。同时,分析了模型材料应变率对材料峰值应力的影响,引入动应力提高系数,并给出了与应变率相关的模型材料受拉损伤本构模型。利用该本构模型模拟了动荷载下石膏模型重力坝的破坏过程,并与模型试验结果进行对比。结果表明：数值模拟得到的重力坝开裂破坏的位置、形式与模型试验结果较为接近。     

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．     

钢筋混凝土结构的三维有限元非线性分析

提出了一个简单的混凝土三维本构模型,结合两种钢筋分布模式编制了钢筋混凝土结构非线性分析的三维有限元程序,通过两个经典的算例对比分析,表明本文提出的混凝土本构模型能够有效地模拟结构的破坏荷载和破坏过程。     

基于各向异性损伤本构模型的砌体结构抗震分析

进一步完善了应力张量的线性变换方法,并将其应用于砌体材料本构模型的开发。在整体式有限元模型中,因不区分砌块和砂浆而将其视为匀质的连续材料,难以用受拉和受压两个损伤变量准确描述灰缝的II型滑移破坏。为解决这一问题,提出应再引入一个针对II型滑移破坏的损伤变量。基于以上研究工作,对砌体结构的振动台试验进行了模拟。模拟结果进一步验证了本文提出的弹塑性损伤本构模型的有效性,以及在进行结构非线性分析方面的优越性。由于本文提出的本构模型能够较为真实地描述砌体墙的破坏模式,因此使用该模型进行结构非线性分析,除了能够获取结构的位移和应力等反应外,还能较为准确地实时提供结构中的损伤分布状态信息,找出结构的薄弱部位,并据此合理地设计结构或进行相应的结构修复。     

混凝土SHPB试验数值模拟研究

基于混凝土HJC动态本构模型,分析了该模型方程及参数获得方法,以混凝土材料的基本力学参数确定了HJC模型中各参数值,并运用LS-DYNA软件完成混凝土SHPB试验的三维数值模拟.对比分析数值模拟结果重构所得试样的应力应变曲线与实际试验结果的相似性,研究表明,数值模拟结果可再现试验中混凝土的动态力学行为与破坏特征,而且,数值模拟可很好的反映应力波在波导杆与试件中传播过程,符合一维弹性波理论规律.     

96.5Sn-3.5Ag钎料合金的时相关单轴应变循环变形行为及其本构关系研究

在室温下对96.5Sn-3.5Ag钎料合金进行了不同加载波形下的单轴应变循环实验。研究了在具有不同保持时间、不同应变率、不同应变幅值及其历史对材料的循环变形行为的影响。基于材料时相关变形行为,提出了统一粘塑性本构模型,并对该材料的变形行为进行本构模拟。实验结果表明:该钎料合金单轴变形行为具有应变率、保持时间以及应变幅值依赖性。本构关系的预言结果与实验结果吻合得一致性说明该种模型能够很好地描述材料的单轴应变循环变形行为。     

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。     

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。     

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。     

45钢的J-C损伤失效参量研究

为了在结构碰撞效应的有限元分析中描述材料行为,通过开展45钢在不同应力状态和温度下的准静态材料力学性能实验及拉伸SHB实验,考察了应力状态三轴度、温度和应变率对材料失效应变的影响。由实验数据得到了Johnson-Cook失效模型参量,并通过出现失效的Taylor撞击实验和数值模拟进行了一定的验证,表明模型描述与实验结果的趋势一致。     

弹体攻角侵彻混凝土数值模拟

利用LS-DYNA程序的用户自定义模型功能,在LS-DYNA程序中嵌入了用于描述混凝土及钢筋混凝土侵彻贯穿的动态损伤模型。模型拉伸部分用Taylor-Chen-Kuszmaul(TCK)模型描述,体现了应变率对拉伸作用的敏感性;压缩部分则采用Holmquist-Johnson-Cook(HJC) 强度模型。模型中考虑了拉伸损伤、压缩损伤、应变软化、静水压力效应以及应变率效应。利用该方法对弹体攻角非正侵彻混凝土靶过程中的弹体变形、混凝土靶的损伤破坏、弹体的速度变化规律及弹体的变形进行了计算,并将计算结果与实验结果进行了比较,结果表明,采用该模型可以较好地模拟弹体非正侵彻混凝土过程。     

飞机撞击建(构)筑物研究进展

飞机撞击重要建(构)筑物会导致灾难性后果。本文从试验研究、理论分析、数值模拟等3个方面对飞机撞击建(构)筑物的国内外研究现状,相关研究难点、需要注意的问题和研究方向及趋势进行总结,包括:缩比试验的系统和验证,飞机撞击力模型,撞击所致局部破坏计算公式,飞机和建(构)筑物的精细化建模,撞击所致振动特性,撞击荷载和火荷载对结构的耦合毁伤效应,一般模型和精细化模型、解耦和耦合方法以及不同数值模拟程序计算结果的对比分析等方面,以期为后续研究提供参考。     

核工程钢板混凝土墙防撞击贯穿实用计算方法

针对带对拉钢筋的双钢板混凝土墙，研究了双钢板混凝土墙防贯穿计算方法，建立了基于能量法的防贯穿计算公式。在已知弹体和钢板混凝土墙体材料与几何相关参数时，利用防贯穿实用计算公式可对带对拉钢筋的核工程双钢板混凝土墙体贯穿速度以及弹体剩余速度进行计算，避免了复杂的结构抗撞击反应动力时程数值分析。为验证公式的可靠性，将公式计算结果与已有刚性弹体撞击双钢板混凝土墙实验结果及其动力有限元计算结果进行对比，结果表明:防贯穿实用计算公式可以正确判断双钢板混凝土墙的贯穿状态，实用计算公式给出的弹体剩余速度与实验结果符合良好。为进一步验证公式的适用范围，将公式计算结果与共10个工况的飞机发动机撞击双钢板混凝土墙的有限元计算结果进行了对比分析，结果表明:除1个工况计算结果偏差略超10%外，其余工况的偏差均在10%以内，说明该计算方法合理可行。     

基于SHPB的UHPC冲击试验径向惯性效应分析

为探讨UHPC试件惯性效应对SHPB加载过程的影响，采用大型有限元分析软件LS-DYNA从试件直径、长径比以及恒应变率加载等角度出发，开展了相应的数值模拟与分析。通过对软件中Karagozian-Case-Concrete (KCC)损伤模型参数取值进行优化，建立了基于SHPB技术的UHPC材料冲击压缩数值模型并与试验验证。在此基础上，开展不同UHPC试件直径、长径比以及有无整形器下的参数分析，探讨其对SHPB试验中径向惯性效应的影响。结果表明:(1)为实现加载过程中一维应力传播和UHPC试件应力平衡，试件直径建议按0.90～0.95倍杆件直径取值；(2) UHPC试件长径比对试件加载过程中的应力平衡影响较小，但综合试件中钢纤维分布均匀性以及破坏前一维应力传播，建议按0.35～0.45取值；(3)实现恒应变率加载是UHPC材料在SHPB冲击试验中消除径向惯性效应的重要前提。     

Q420钢管大气腐蚀后的抗侧撞性能

为研究大气腐蚀对Q420钢管构件服役期内耐撞性的影响,提出了计及腐蚀损伤的材料模型。引入损伤因子（ω）修正Voce模型,推导随腐蚀程度变化的低合金钢材本构方程,并通过加速腐蚀试验结果回归相应参数。利用ABAQUS软件定义构件材料特性,建立起受腐蚀的Q420钢管仿真模型,采用显式动力算法分析多种初始状态下,撞击体与不同腐蚀程度钢管的冲击响应规律。开展预腐蚀Q420钢管的落锤试验,将试验结果与数值计算结果进行对比,验证所建模型的合理性。结果表明:大气腐蚀导致材料名义强度降低,对Q420钢管抗撞击能力影响显著;随着腐蚀程度增加,冲击力峰值减小,撞击时间和深度增加;Q420钢管受腐蚀后抗冲击刚度减小,构件整体变形耗能增加,表明大气腐蚀使其抗冲击性能下降;同等动能增量下,增大撞击体初速度比增加初始质量获得的冲击力峰值增幅更大,而所得到的接触时间增幅更小。