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.     

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。     

层合板冲击损伤的PD率效应本构模型分析

从近场动力学(简称PD)理论的PMB材料模型出发,结合Kelvin-Voigt粘弹性固体模型,建立PD率效应本构模型。采用LAMMPS软件模拟了环氧树脂板、纤维增强复合材料单向层板和多向铺层层合板受冲击的情况。通过分析各板的冲击损伤,探索纤维对板的增强作用。同时,分析了不同冲击速度下层合板上下表面的损伤程度,初步探讨了从低速碰撞到高速冲击过程中复合材料层合板的破坏机理及规律。     

陶瓷材料动态压缩损伤本构模型

运用细观损伤力学理论,从动态压缩载荷下陶瓷材料内翼型裂纹的产生和扩展的损伤机理出发,建立了陶瓷材料的弹脆性动态损伤本构模型,给出相应的损伤演化方程.假设裂纹成核满足Weibull分布,讨论了成核分布参数、原始缺陷尺寸对材料动态断裂应力、断裂应变的影响,并用动态损伤演化模型计算了冲击载荷下AD90陶瓷的动态应力应变曲线,计算结果和实验结果符合很好.     

基于J-C模型的Q235钢的动态本构关系

采用万能材料试验机、分离式霍普金森压杆和拉杆系统,研究了Q235钢在常温至900 ℃的准静态和动态压缩及拉伸力学性能。基于实验结果,修正了Johnson-Cook（J-C）本构模型中的温度软化项,提出了Q235钢的修正J-C本构模型,并利用Taylor撞击实验和数值仿真验证了其动态本构关系。     

爆炸冲击下珊瑚砂动态本构模型

以珊瑚砂为主要覆盖域的岛礁在面临动力灾变时,确定岛礁工程抵抗极端冲击荷载的阈值至关重要,珊瑚砂的动态本构关系是防护工程设计的关键要素。本文中,根据SHPB实验和静态压缩实验的结果,提出了一种基于应变率强化规律确定珊瑚砂物态方程的方法,并确定了珊瑚砂动态本构模型的参数。分别基于流体弹塑性模型和Perzyna黏塑性帽盖模型,结合LS-DYNA有限元程序,通过对侵彻和爆炸的数值计算,验证了模型的适用性。基于建立的模型,对不同相对密实度的珊瑚砂开展了侵彻和爆炸数值计算,结果表明,密实度对爆炸波的衰减影响较大、对侵彻深度的影响较小。     

基于元件组合理论的砂岩动态损伤本构模型

采用分离式霍普金森压杆（SHPB）系统,对砂岩进行不同速度下的冲击试验,得到砂岩的应变率效应特征以及典型的动态本构曲线。该曲线分为近似线弹性阶段、塑性阶段、塑性增强阶段和正向卸载阶段。通过组合模型的方法,构建了砂岩含损伤的动态本构模型,借助LS-DYNA软件中的用户材料子程序UMAT接口实现对本构模型的二次开发,并对砂岩在冲击速度为7.5、9.5、11.5和13.5 m/s 4种情况下的SHPB动态冲击压缩试验进行模拟。结果表明:所构建的模型可以很好地描述砂岩的应变率效应和应力-应变曲线弹性段,并且动态峰值强度、最大应变均与试验结果一致,应变率、峰值强度、最大应变与试验结果的相对误差不超过10%。所构建的砂岩动态本构模型能够准确地描述砂岩在冲击作用下的动态力学特性。     

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.     

黏塑性本构计算的稳定性分析

提出本构方程计算方法的稳定性问题,针对黏塑性本构计算的显式精确算法的稳定性进行分析,发现该算法并非无条件稳定,使用小扰动方法给出了其计算稳定的必要条件,稳定性条件对数值计算中的时间步长提出限制要求。通过有限元算例验证了分析的正确性,计算结果也表明理论推导得到的稳定性公式能够准确预测满足计算稳定性条件要求的最大时间步长与各参数之间关系。     

修正的Bodner-Partom本构模型

对于含有微损伤的多孔介质,由于微裂纹和微孔洞的存在,从宏观角度看,非弹性体应变会随着外载荷的变化而发生改变,即非弹性体应变不应为零。本文修正了计及损伤效应的Bodner-Partom本构模型。并以修正的本构模型对LY-12硬铝材料受到电子束辐照时产生的热击波及材料的创伤破坏效应进行了理论计算,将计算值同实验结果比较表明,两者基本上是一致的。     

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。     

A constitutive model for creep-plasticity interaction based on dislocation dynamics

A glide-plus-climb micromechanism of dislocation evolution with the formation of subgrains is proposed for modelling of the creep-plasticity interaction (CPI). The long-range internal stress can be divided into the resistance for dislocation climb in subgrain boundaries and that for dislocation glide within grains or subgrains. Their evolution equations are then derived based on dislocation dynamics. Furthermore, a unified constitutuve model for CPI is developed from Orowan's formula. Theoretical calculations on the basis of this model show a very good agreement between the model prediction and experimental results of benchmark tests for 2 1/4 Cr-1 Mo steel at 600°C.     

基于显式有限元方法的两相介质弹塑性动力反应计算分析

针对增量形式的流体饱和两相多孔介质弹塑性波动方程组,运用基于显式逐步积分格式的时域显式有限元方法对该波动方程组进行求解,并应用基于SMP破坏准则的弹塑性动力本构模型描述两相介质的动力反应性质,对两相介质在输入地震波作用下的弹塑性动力反应进行计算和分析,将计算结果与相应的弹性动力反应的计算结果进行对比;对本文应用的弹塑性...     

基于分数导数本构的粘弹性土层—隧洞衬砌系统的稳态动力响应

将混凝土衬砌材料视为具有分数导数本构的粘弹性体,在频率域研究了深埋圆形隧洞粘弹性土的稳态动力响应。利用衬砌的内边界条件和混凝土衬砌与土体界面处的连续性条件,得到了粘弹性土体和衬砌稳态振动的应力和位移解析解。进行了隧洞衬砌厚度、土体阻尼比、本构阶数、材料参数比等对土体的位移和应力幅值影响的算例分析,结果表明:材料参数比对系统动力特性有较大影响,随着材料参数比的增加,位移和应力幅值减小;随着土体的阻尼比、衬砌厚度的增加,位移和应力幅值减小;当材料参数比Tσ/Tε=3时,随着分数导数阶数增大,响应幅值减小。     

一种高强度钢的动态力学本构参数识别和数值模拟

分析了N-1钢在不同应变率条件下(10-3~103s-1)的应力应变关系实验结果,得到了N-1钢的应 变率强化特性。修正了平板试件断裂面中心的真实应力,并通过对真实应变与最小截面的厚度缩减率关系的 研究,得到了断裂面中心的真实应变,从而识别出了N-1钢的修正Johnson-Cook本构模型的参数。利用所确 定的本构关系模型,对N-1钢平板试件的杆-杆型冲击拉伸过程进行了数值模拟,模拟结果与实验结果较吻 合,验证了采用的修正的Johnson-Cook本构模型参数的实验识别方法以及数值模拟方法的正确性。     

金属材料的率-温耦合响应与动态本构关系综述

金属材料在冲击、爆炸等高应变率加载下的塑性流动行为具有不同于静载下的率-温耦合性和微观机制。航空航天、航海、能源开采、核工业、公共安全、灾害防治等方面的金属结构设计与性能评估需要进行大量的动载实验和数值模拟,建立准确的材料动态本构模型是结构数值模拟可靠性的基础和关键。本文中,总结了金属材料的率-温耦合变形行为及内在机理,回顾了金属动态本构关系研究的起源与发展脉络,分别针对唯象模型、具有物理基础的模型和人工神经网络模型进行了详细介绍和横向比较。唯象模型和人工神经网络模型分别因易应用和高预测精度而受到青睐,基于物理概念的宏观连续介质模型可以描述体现内部演化的真实物理量,从而涵盖更大的应变范围,更好地反映应变率、温度和应变的影响机制。

     

恒定动载下高温水冷后玄武岩的动力特性及本构模型

为研究地应力、地温和动力扰动下岩石的动力特性,利用带围压的分离式霍普金森压杆装置,对常温（25 ℃）和经历不同高温水冷（100、300、450和600 ℃）后的玄武岩试样开展了恒定动载下不同围压等级（2、4和6 MPa）的动态压缩实验,借助静态力学实验及微观实验的测试结果,分别探讨了温度和围压对玄武岩动态力学特性及破坏特征的影响规律,并基于Weibull分布理论,构建了恒定动载下高温水冷后玄武岩的动态本构模型。结果表明：3组围压下,玄武岩的动态峰值应力、弹性模量均存在温度劣化效应,且围压越高,温度劣化效应越显著;常温和经历100~600 ℃高温水冷后玄武岩的动态峰值应力、弹性模量均存在围压强化效应,但该围压强化效应在600 ℃时有所减弱。围压一定时,随着温度的升高,试样的破碎程度不断加剧;温度一定时,随着围压的升高,试样的破碎程度逐渐降低。所建立的玄武岩动态本构模型与实验结果具有较好的一致性,可用于预测玄武岩在高温水冷和主动围压耦合作用下的动态力学行为,从而为地下资源开发及地下工程防护提供理论支持。

     

泰勒杆实验对材料动态本构参数的确认和优化确定

通过实验数据和数值模拟结果的对比,研究了泰勒杆实验在材料动态本构关系参数确认和优化方面的应用。以Johnson-Cook模型描述的oxygen-free high-conductivity（OFHC） copper材料为例进行了具体说明,并对实验中的部分不确定因素进行了分析。结果表明,利用该方法对材料本构模型参数进行确认和优化确定是合理的。     

基于塑性铰理论的车身概念设计正碰分析与优化方法

在概念设计阶段,车身碰撞安全性能评价是一个难点问题,需要详细的结构模型,本文基于塑性铰理论提出采用梁单元简化模型对框架车身进行概念设计阶段的耐撞性评估和优化设计方法。首先,介绍了关于箱型截面薄壁梁弯曲特性研究的理论模型与计算过程,接着赋予梁单元塑性铰的特性,模拟薄壁梁变形,再对框架车身进行了碰撞仿真。将仿真结果与详细模型对比,以分析简化模型的精度及可靠性。最后,以此为基础对框架车身进行耐撞性优化。结果表明,该简化模型易于创建,且有较高的精度,可用于概念设计阶段梁结构的设计工作。