水泥砂浆石在准一维应变下的动态力学性能研究

以改进的SHPB被动围压试验方法 ,研究了水泥砂浆石在准一维应变下的动态力学响应。分析讨论了试验结果与围压套筒材料性质、几何尺寸等的关系。得到了水泥砂浆石的动态泊松比、动态杨氏模量、动态压缩强度。分析了试验中的摩擦力效应及其对围压下轴向应力应变关系的影响 ,完成了对材料弹性常数的修正。     

材料在准—维应变下被动围压的SHPB试验方法

本文提出了改进的SHPB被动围压试验方法,可用于研究材料在准一维应变下的动态力学响应。分析中计及了试样的径向变形,并讨论了试验结果与围压套筒材料性质、几何尺寸等的关系,从而可进一步推得材料的动态泊松比υ2、动态杨氏模量E2、动态剪切模量G以及动态压缩强度Y。又分析了试验中的摩擦力效应及其对围压下轴向应力应变关系的影响,完成了对材料弹性常数的修正。     

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。     

一种适用于低体模量材料的被动围压SHPB实验设计

基于动态三轴被动加载实验技术,建立了一种可测量吉帕量级及以下低体模量材料压强-体应变关系的被动围压SHPB实验设计方法。在该实验设计中确定了样品、封装垫块、围压套管的尺寸以及尺寸间的匹配,并对实验压强进行了限制。通过比较传统SHPB实验和被动围压SHPB实验测量LC4铝合金等效应力的方式,验证了被动围压SHPB实验压强测量的有效性;通过实验和数值模拟分析,验证了体应变测量的有效性。将设计的被动围压SHPB实验方法应用于铈,得到了铈在伽马→阿尔法相变区间完整显示的压强-体应变演化信息,且相变起始和终止压强、相变体积变化量均与静高压实验结果基本一致。这说明设计的被动围压SHPB实验方法适用于测量低体模量材料的压强-体应变关系。     

散体介质SHPB被动围压试验体应力计算的理论修正方法

SHPB被动围压试验为探究散体介质在爆炸和冲击荷载作用下的力学行为提供了一个行之有效的方法。针对相关试验设计和计算中存在的弊端和不足,借助经典板壳理论将SHPB被动围压试验中用于约束散体介质的刚性套筒简化为受均匀带状内压作用的圆柱形壳体。理论计算了套筒径向位移、环向应变与均匀带状内压及套筒几何、力学参数的关系,得到了套筒径向位移、环向应变沿其轴向的分布规律;分析了套筒长度、厚度、内外径以及均匀带状内压宽度之间等无量纲几何参数对计算结果的影响;将理论计算结果与试验和数值模拟结果进行对比,验证了理论计算结果的正确性。本文中提出的理论修正方法可为指导散体介质SHPB被动围压试验提供参考。     

混凝土类材料SHPB实验中确定应变率的方法

由于混凝土类材料在SHPB实验中很难实现恒应变率加载，为了确定非恒应变率加载下的实验数据所对应的应变率，本文中针对不同强度（C20，C45，C70）和不同钢纤维含量（0%，0.75%，1.50%，4.50%）的混凝土进行了SHPB实验。对实验得到的30组恒应变率加载下的数据进行了分析总结，结果表明:实验数据所对应的恒应变率与全段平均应变率之间存在一定的比值关系，从而混凝土类材料SHPB实验数据所对应的应变率可以采用全段平均应变率的1.38倍来表征。通过对比非恒应变率加载和恒应变率加载下得到的应力应变曲线，验证了该确定应变率方法的合理性，并指出较短恒应变率加载下实验数据对应的应变率直接采用短平台段对应的应变率来表征是不合理的。     

侧限SHPB实验中软材料体压缩特性的测量方法

提出了利用侧限SHPB装置测量软材料体压缩特性的实验方法。该方法利用霍普金森压杆对试 样施加轴向压缩,同时依靠金属薄壁套筒约束试样的径向膨胀。通过套筒外壁的环向应变得出了试样径向应 力、径向应变,再结合压杆应变片信息,可以获得试样的流体压强-比容变化过程。利用该方法进行了高聚物 泡沫材料的动态压缩实验,证实了该方法对测量软材料的体积压缩特性是可行的。     

准一维应变下Al2O3陶瓷动态压缩失效的实验研究

为了考察Al2O3陶瓷准一维应变下的力学性能,采用LY12铝套筒和45钢套筒对陶瓷试样进行了环向约束,在准静态和动态下分别进行了压缩实验,得到了材料的应力-应变曲线。实验结果表明,Al2O3陶瓷的轴向压缩强度基本上随围压的增大而增大,动态压缩加载下的轴向压缩强度随应变率增大而增大。Al2O3陶瓷在准一维应变下的破坏形式为裂纹破坏,准静态的脆性失效行为可以用Mohr-Coulomb失效准则来描述。     

脆性颗粒材料的应变率效应机理研究

利用分离式Hopkinson压杆（SHPB），对干燥石英砂进行了被动围压下的动态压缩实验，发现石英砂表现出了明显应变率效应。通过激光粒度分析测量了动静态压缩后的试件的级配曲线，发现同一应力水平下准静态压缩比动态压缩后的试件的颗粒破碎量更大。而通过拟合相对破碎率与外力功之间的关系，发现准静态压缩在颗粒破碎方面能量利用率更高也即破碎效率更高，而这正是脆性颗粒材料应变率效应的本质原因。     

软材料和松散材料SHPB冲击压缩实验方法研究

针对采用SHPB装置研究泡沫等软材料和黄土、砂等松散介质的动态特性时存在的实验技术问题,提出利用钢套筒约束试件横向变形的方法,在SHPB冲击加载装置上实现材料准一维应变实验,研究了上述材料在准一维应变条件下的动态力学特性。本文同时指出,可以通过引入一约束系数描述试件一维应变条件的满足程度,并指出钢套筒的横向变形对实现试件一维应变的影响不大。在此基础上,进行了相关实验研究,说明了该实验技术能较好地满足软材料或松散介质力学性能研究工作的需要。     

新型混凝土桥面铺装材料的冲击力学性能

利用大尺寸Hopkinson压杆对新型混凝土桥面铺装材料钢纤维增强聚合物改性混凝土（steel fiber reinforced and polymer modified concrete,SFRPMC）进行了冲击实验,并且在相同基准配合比下,与普通混凝土、钢纤维混凝土的冲击性能进行了对比。观察了不同打击速度下三种材料的破坏形态,得到了在不同应变率下的应力应变关系,比较了三种材料的应变率敏感性,最后从机理上分析了掺加钢纤维和聚合物对混凝土材料冲击力学性能的影响。结果表明,钢纤维增强聚合物改性混凝土材料具有良好的冲击韧性,是一种理想的混凝土桥面铺装材料。     

ABAQUS混凝土损伤塑性模型中损伤因子的率相关性及实现方法

ABAQUS程序中最常用的混凝土损伤塑性（concrete damage plasticity, CDP）模型无法实现损伤因子与应变率相关。为了准确描述混凝土材料在高应变率下的损伤特性,基于CDP模型定义了新的应变率场变量,编制了VUSDFLD用户子程序,开发了能够考虑损伤因子率相关性的改进的CDP（modified CDP,MCDP）模型。MCDP模型采用能量法求解混凝土拉压损伤因子,主求解程序能够随着应变率场变量的变化而自动更新不同应变率对应的损伤参数,计算得到的混凝土单轴静态加载结果与CDP模型吻合较好。MCDP模型对高应变率下动态压缩性能的模拟结果表明:混凝土材料在不同应变率下的拉压损伤对其动态力学性能有显著影响,编制的VUSDFLD子程序和MCDP模型能够有效地解决损伤应变率相关的模拟难题,可以准确地模拟爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的动态响应,为预测爆炸冲击等强动载作用下混凝土结构的响应和破坏提供了更可靠的技术途径。     

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。     

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。     

An Experimental Technique for Spalling of Concrete

The spalling strength of concrete is measured by examining the strain wave profiles in a polymer buffer bar behind the slender concrete bar specimen placed between a large diameter (Φ100 mm) Hopkinson bar and the buffer bar. The experimental results indicate that the spalling strength is related to not only the compressive strength of concrete but also the impact velocities (the loading rates). The rate effect of spalling strength mainly results from the different cracking paths in concrete under different impact velocities. However when the input compressive stress to specimen exceeds the threshold required to trigger the compressive damage, the spalling strength decreases due to the evolution and cumulation of compressive damage in concretes. The repeated impact loading experiments indicate that damage plays an important role in the spallation process of concrete. The high speed video of the spalling fracture process shows that multiple spalling fractures may occur in the scab and damage accumulation resulting from stress wave propagation in scab is the main reason for the producing of multiple spallations.     

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。     

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。     

循环孔隙水压下混凝土常规三轴压缩损伤破坏特性分析

本文进行了孔隙水压不同循环次数(0次,10次,50次,100次和200次)以及不同应变速率下(10~(-5)/s,10~(-4)/s,10~(-3)/s和10~(-2)/s)混凝土常规三轴压缩试验,分析了混凝土峰值应变的变化规律、应力-应变曲线及损伤特性。结果表明:相同循环次数孔隙水压下,峰值应变随应变速率增加,整体呈现出增加的趋势;而相同应变速率下,峰值应变随孔隙水压循环次数的变化规律并不明显;在中低应变速率(10~(-5)~10~(-3)/s)下,混凝土的损伤变化受孔隙水压循环次数影响较大;当循环次数达到200次时,孔隙水压作用对混凝土产生较大的损伤。通过对循环孔隙水作用下混凝土动态损伤破坏机理的分析可知:混凝土的破坏过程实际上是内部裂纹不断形成、扩展、贯通,材料损伤不断产生、累积的过程;当损伤达到一定程度,混凝土发生宏观破坏,失去承载力。     

Fracture mechanics of multimodulus dilatant media

Cracks arising in dilatant and multimodulus materials (different elasticity moduli for different types of the stress state) are under study. The stress and strain distributions in dilatant multimodulus bodies with cracks, which allow estimating the impact of damage on crack resistance characteristics, are investigated.