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。     

高强钢纤维混凝土冲击压缩特性试验研究

采用大尺寸SHPB装置 ,对钢纤维体积分数在 0～ 6 %的高强钢纤维混凝土进行冲击压缩试验 ,得到应变率约 10 0s-1下的应力 应变全曲线及方程 ,给出抗压强度与应变率的关系 ,讨论了钢纤维含量对冲击强度的影响。     

钢纤维高强混凝土冲击压缩的试验研究

介绍了利用100 mm SHPB装置获得钢纤维高强混凝土冲击压缩应力-应变曲线的试验研究。同一类试样在静态和动态共4个不同应变率下的试验结果揭示混凝土是应变率敏感材料,其破坏应变、峰值应变和弹性模量表现出显著的应变率强化效应。从静态和动态压缩下混凝土损伤演化的不同形式对这种应变率强化效应进行了详细讨论。从相近应变率下不同钢纤维含量试样的试验结果中,发现冲击压缩下钢纤维对混凝土的增强效应随应变率的增大而减弱。从钢纤维对混凝土静态和动态压缩下损伤演化形式的影响,讨论了钢纤维对混凝土的这种增强效应。     

钛合金TC-4在高应变率下的动态本构关系

利用分离式Hopkinson扭杆对钛合金TC-4进行了高应变率下动态剪切本构关系的实验研究。结果表明TC-4对应变率高度敏感,对应变率的敏感性随应变率的提高而增加。其动态应力应变关系呈线性强化形式。但动态强化模量随应变率的提高而略有减少。采用Malvern给出的过应力模式_p={exp[(1/)(-f())]-1}/b可以较好地描述TC-4的动态剪切本构关系。     

混凝土HJC本构模型参数的研究

运用非线性有限元动力分析软件LS-DYNA模拟了混凝土SHPB试验.将试验采集的入射波数据作为压杆的端面载荷,模拟条件尽量符合试验条件,确保模拟精度.将数值模拟与试验结果相结合,研究了混凝土HJC模型参数的确定方法,得到了C60混凝土的相关计算参数,模拟结果得到的应力-应变曲线与不同应变率下混凝土SHPB试验应力-应变曲线吻合较好.分析了HJC模型的本构特性,比较了与金属JC模型的差异与共性,讨论了HJC模型存在的问题.研究结果表明,未考虑混凝土弹性响应的应变率效应,横向效应的影响与采用的失效方式密切相关.     

研究材料动态本构特性中的重要作用

在材料动态本构关系的研究中，不论是由波传播信息反求材料本构关系，即所谓解第二类反问题，还是利用应力波效应和应变率效应解耦的方法（如SHPB技术），应力波传播实际上都起着关键作用。在一般性讨论的基础上，就SHPB试验技术分析了应力波传播如何影响材料动态本构特性的有效确定。对于应力/应变沿试件长度均匀分布假定以及一维应力波假定，着重进行了分析。     

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.     

不锈钢材料的动态力学性能及本构模型

利用带有温度调控系统的SHPB实验装置测定了0Cr17Mn5Ni4Mo3Al不锈钢在3种应变率(300、1 000、2 700 s-1)、4种环境温度（25、300、500和700 ℃）下的应力应变关系;在液压伺服材料试验机(MTS)上进行了3种温度下的准静态（0.0005 s-1）压缩实验。实验结果表明:该不锈钢有明显的应变率强化效应和温度软化效应,并且随着环境温度的升高,应变率强化效应减弱。对Johnson-Cook模型进行了修正,考虑了冲击过程中绝热温升引起的软化效应。修正后的Johnson-Cook模型与实验结果吻合较好。     

钢纤维活性粉末混凝土的动态力学性能

利用?74mmSHPB实验装置对钢纤维活性粉末混凝土(RPC)进行动态压缩实验和动态劈裂拉 伸实验。获得了钢纤维RPC在1~102s-1应变率加载下的动态力学参数。对试件内的动态应力分布进行数 值模拟,验证了动态实验的有效性。结果表明,钢纤维RPC的动态压缩和动态劈裂拉伸的力学性能均表现出 显著的应变率效应。随着应变率的增加,钢纤维RPC冲击压缩破坏应力、冲击压缩破坏应变、弹性模量、动态 劈裂拉伸破坏应力均有一定程度的增加,动态拉压比相对静态拉压比也有显著的提高。     

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。     

泡沫铝材料动态本构参数的实验确定

基于泡沫材料的动态刚性-线性硬化塑性-刚性卸载(D-R-LHP-R)模型,结合连续性方程,动量守恒方程及刚体的运动方程,得到了激波在泡沫材料中的量纲一消失位置X_s/L₀和动态屈服应力Y_i、激波波速c_p、冲击初始应变ε_i之间的如下关系式: $\frac{X_{\mathrm{s}}}{L_{0}}=\exp \left(-\frac{\rho_{0} c_{\mathrm{p}} v_{\mathrm{i}}}{Y}\right)=\exp \left(1-\frac{\sigma_{\mathrm{i}}}{Y}\right)=\exp \left(-\frac{\rho_{0} c_{\mathrm{p}}^{2} \varepsilon_{\mathrm{i}}}{Y}\right)$ 采用Taylor-Hopkinson装置进行实验,当直接测得泡沫铝试样密度ρ₀、边界初始应力σ_i、初始打击速度v_i、泡沫铝杆原长L₀及激波在泡沫铝杆中消失长度X_s后,利用方程式(a)可反演求得D-R-LHP-R模型下的泡沫铝动态应力应变曲线。最后通过与泡沫铝准静态实验数据对比,表明该泡沫铝是应变率敏感性材料。     

钢骨混凝土构件抗冲击性能试验研究

利用超重型落锤试验机对钢骨混凝土构件进行了侧向冲击试验,研究了落锤冲击钢骨混凝土构件的冲击全过程和最终的破坏形态;分析了钢骨混凝土构件冲击力、位移和轴力时程曲线的特性;对比了不同冲击速度、冲击能量、轴压和边界条件等因素对钢骨混凝土构件的动力响应的影响。结果表明:钢骨混凝土构件在落锤冲击作用下外侧混凝土破坏严重,且冲击能量越大,外侧混凝土越易出现剪切破坏,但内部钢筋和钢骨只发生了一定的弯曲变形,表明钢骨混凝土构件抗冲击性能整体良好。本次试验参数范围内,钢骨混凝土构件的冲击力和跨中位移随冲击速度增加而增大;轴压力增大使钢骨混凝土构件的冲力峰值增大,冲击持时和跨中位移减小;相对于固简支和两端简支的边界条件,两端固支的边界对于钢骨混凝土构件的抗冲击性能提升最好。     

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。     

A simple orthotropic elasticity-based constitutive model for reinforced concrete

Using strain-induced orthotropic material concepts, a new numerical constitutive model is demonstrated by predicting the ultimate capacity of a unique simple test specimen and two cylindrical shell structures. Only the uniaxial compressive strength of the concrete and the yield stress of the reinforcing steel are needed as input to predict both constitutive behavior and structural strength. The approach is simple, reliable and computationally efficient.Paper was presented at the 1988 SEM Spring Conference on Experimental Mechanics held in Portland, OR on June 5–10.     

Elastic-plastic constitutive relation of particle reinforced composites

In this paper, a systematic approach is proposed to obtain the macroscopic elastic-plastic constitutive relation of particle reinforced composites (PRC). The strain energy density of PRC is analyzed based on the cell model, and the analytical formula for the macro-constitutive relation of PRC is obtained. The strength effects of volume fraction of the particle and the strain hardening exponent of matrix material on the macro-constitutive relation are investigated, the relation curve of strain versus stress of PRC is calculated in detail. The present results are consistent with the results given in the existing references. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 19704100) and National Science Foundation of Chinese Academy of Sciences (Project KJ951-1-20).     

On the determination of material parameters for internal variable thermoelastic–viscoplastic constitutive models

The work presented in this paper deals with the determination of material parameters used in internal variable constitutive models. In order to determine the best suited material parameter set, in the less computationally expensive way, two optimization approaches are used: (i) a gradient-based method and (ii) a continuous evolutionary algorithm (EA) method. The first approach uses a combination of the steepest descent gradient and the Levenberg–Marquardt techniques. The performance of this method is known to be highly dependent on the starting set of parameters and its results are often inconsistent. The EA-based technique provides a better way to determine an optimized set of parameters (the overall minimum). Thus, the difficulty of choosing a starting set of parameters for this process is minor. The main application in this work is a 16 parameter thermoelastic–viscoplastic constitutive model. Experimental data was obtained from tensile and shear tests at different temperatures and used to compare with numerical results and to determine the correct set of material parameters. Numerical constraints were introduced to enforce physical requirements on the material parameters. Both methods are used to determine the 12 material parameters needed for an AA1050-O aluminium alloy. Although the EA-based method achieved a slightly better result, it proved to be computationally more expensive than the gradient-based method.     

Elastic–plastic-hydrodynamic analysis of crater blasting in steel fiber reinforced concrete

This paper presents a numerical analysis of crater blasting in steel fiber reinforced concrete (SFRC). In order to model the nonlinear damage-softening behavior of SFRC, the effective stress and effective plastic strain curve is tabulated and used as input for the material Type10 (MAT_ELASTIC_PLASTIC_HYDRO) available in LS-DYNA. The Gruneisen equation of state (EOS) is used to model the pressure volume relationship. With the two erosion criteria namely tensile cut-off and failure strain incorporated, the crater blasting in SFRC is simulated. Numerical results show that the adopted model and high-pressure EOS can well capture the main characteristics and failure process of SFRC under blast loading, and the related parameters can be determined conveniently. In addition, the volume fraction of fibers exerts a significant influence on the dimension of blast-induced crater.