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.     

石灰岩冲击损伤实验与破碎特性研究

利用一级轻气炮对石灰岩试件进行冲击损伤实验,采用锰铜压力计对冲击波作用过程进行压力测试,对冲击后的试件进行声波探测和剖切观察,研究石灰岩冲击损伤与破碎特征。实验与分析结果表明,在飞片直径小于试件直径、试件自由面条件较好、碰撞压力在1~1.7 GPa的实验条件下,岩石试件的冲击损伤存在头部核心区、环状裂隙区、中部损伤区、底部破坏区的分区特性,且各区的损伤原理不同。软回收装置为试件的侧向和底部创造了良好的自由面条件,以致拉应力对岩石损伤起到了主导作用。最后用有限元软件LS-DYNA对岩石冲击过程进行数值模拟,分析岩石试件的冲击损伤作用,验证了实验结果的正确性。     

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。     

混凝土动态冲击问题的一种欧拉数值方法

针对混凝土的动态冲击问题给出了混凝土的Holmquist Johnson Cook本构关系 ,本构关系中的等效强度作为压力、应变率和损伤的函数 ;压力表示为体积应变的函数 ,并考虑了永久破碎的效应 ;积累损伤作为等效塑性应变、塑性体积应变和压力的函数。结合三维弹塑性流体力学欧拉数值方法 ,提出了混凝土的Holmquist Johnson Cook本构关系与欧拉程序相结合的计算方法。介绍了带混凝土Holmquist Johnson Cook本构关系的三维弹塑性流体力学欧拉程序。     

混凝土的冲击特性描述

从连续损伤理论出发 ,讨论了盖帽模型。基于大量的混凝土实验结果 ,引出了一种经验性的率相关盖帽模型 ,可以用于描述较低速的混凝土平板撞击试验。为获得水泥砂浆石和卵石在冲击及冲击后的各自行为 ,提出了一种关于混凝土的二组分模型 ,并耦合于平板高速冲击实验的数值模拟 ;讨论了此二组分模型对于均匀冲击加载的非局部化响应问题。     

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。     

混凝土高温动态力学特性与本构方程

混凝土材料是多相复合材料,高温动荷载作用下其力学行为非常复杂。为此,对混凝土在爆炸、火灾等高温环境中力学特性的研究,有利于减小混凝土结构在爆炸及火灾事故中的损失。文中首先利用分离式霍普金森压杆试验装置(SHPB)设计出一套混凝土高温试验方案,然后基于15组试验工况对混凝土在温度为16℃至650℃范围内,加载撞击速度分别为5m/s、7m/s和12m/s时进行了SHPB试验,获得了与之对应的应力应变曲线。试验结果表明,混凝土应变率增强效应与高温弱化效应相互耦合,致使混凝土受温度的影响显著大于其应变率。最后,由试验结果以经典损伤理论模型为基础,根据混凝土高温动态力学特性,构建了一个统一的方程来描述混凝土高温动态应力应变关系的全过程,并且该本构方程计算结果与试验数据吻合良好。     

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。     

冲击载荷作用下材料与结构的响应与防护

冲击载荷作用下材料与结构的响应与防护是固体力学和爆炸力学研究的热点课题,在国防工程和民用防护工程中有着重要的应用背景.本文主要评述了我国武器装备与防护工程常用材料与结构在冲击载荷作用下响应与防护的国内外研究现状与发展趋势,内容涉及材料的动态力学特性、本构关系和结构的变形与破坏等方面,着重探讨了混凝土、钨合金、陶瓷等材料的动态本构特性以及混凝土坑道、舰船等结构的防护作用机理.     

透明陶瓷夹层结构冲击响应及BP神经网络预测

首先,选择以蓝宝石陶瓷为迎弹层、二氧化硅无机玻璃和聚碳酸酯有机玻璃为吸能层和聚氨酯为胶结材料的透明夹层结构为研究对象,采用一级轻气炮对试样进行了冲击实验,试样呈现陶瓷层弯曲失效破坏主导和冲击压缩破坏主导的2种破坏模式,通过高速摄像详细记录裂纹动态扩展过程。然后,采用Abaqus有限元软件对多组结构层厚度配比的透明夹层结构进行120、150、180 m/s速度的弹体冲击模拟,针对陶瓷材料引入了基于JH-2本构模型的子程序,并结合单元删除法,对裂纹扩展和碎片飞溅过程进行了数值模拟。模拟结果与实验结果吻合较好。最后,采用BP神经网络算法对冲击点后侧位移峰值进行了预测,单层和多层神经网络模型平均计算耗时分别为1和3 min,与位移峰值的数值模拟结果相比,2种神经网络模型预测结果的平均相对误差分别为7.6%和3.2%。该BP神经网络模型计算时效和精度都满足要求,相比传统消耗5 h的有限元计算,节省大量时间,可对透明夹层结构的设计提供指导。     

Modeling of impact on concrete plates by use of the microplane approach

A numerical approach to model 3D impact scenarios on concrete structures is presented and validated by experimental investigations. Special focus is given to dynamic contact modeling of an impactor loading a concrete plate at very high velocity. In this context, the main aspect is the elimination of non-physical oscillations of the kinematic fields by using an updated Newmark integration scheme. Two Lagrangian multipliers are used for this update which successfully reduces the unphysical oscillations of the above mentioned fields. In a further step, the material behavior of concrete is described by the microplane model introducing a new rate-dependent non-local damage formulation. Using the equivalent strain as a non-local field, the method is able to model, in an adequate manner so that the crack pattern in concrete is represented by the damage evolution in case of transient problems. The accuracy is validated and proved by the help of benchmark simulations as well as the observed phenomena to experimental investigations.     

强动载荷下钢筋混凝土结构计算模型简评

针对侵彻、爆炸等强动载作用下混凝土类结构计算中涉及的状态方程、变形破坏弹塑性本构关系与强度准则等关键问题,根据混凝土多组分特征,简述考虑介质中孔隙压缩的状态模型及弹塑性变形破坏中动态损伤演化模型,并在计算实验方法的基础上,给出需要进一步研究的建议。     

混凝土冻融损伤本构模型研究

基于各向同性连续损伤力学理论,以损伤条件下的弹性模量和泊松比为变量,基于Ottosen理论模型建立了混凝土冻融损伤破坏准则,并以Ottosen本构理论模型为基础,利用建立的冻融损伤破坏准则构建了混凝土冻融损伤本构模型,并编制了本构模型有限元程序,经过试验验证模型计算结果较为准确,为有限元计算和冻融作用后混凝土结构模拟应...     

基于能量耗散分析的混凝土随机疲劳损伤模型

基于微-细观随机断裂模型(MMSF)发展了一类混凝土随机疲劳损伤模型。该模型将MMSF中的微弹簧视为一能量耗散单元并考察了其跨尺度的能量耗散过程。在纳观尺度,引入速率过程理论描述裂纹的扩展速度,并基于裂纹层级模型和自相似假定完成从纳观尺度到微观尺度的过渡。由此建立了微弹簧在疲劳荷载作用下的多尺度耗能描述。此外,为了考虑疲劳加载中混凝土多条裂纹的相互影响,引入了包含损伤扩展效应和损伤愈合效应的疲劳损伤因子来修正耗能表达。通过与相关试验的对比,证明了该模型能反映疲劳荷载作用下混凝土的主要力学行为,如疲劳损伤三阶段特点、疲劳寿命的离散性和疲劳寿命随加载频率的变化趋势等。     

钨合金柱形弹超高速撞击水泥砂浆靶的侵彻深度研究

为探索钨合金柱形弹超高速撞击水泥砂浆靶的侵彻深度随撞击速度变化规律,利用二级轻气炮开展了?3.45 mm×10.5 mm的克级93 W钨合金柱形弹以1.82~3.66 km/s的速度撞击水泥砂浆靶的实验,利用CT图像诊断技术获得了侵彻深度和残余弹长随撞击速度的变化规律,对超高速撞击过程进行了数值模拟,结合数值模拟结果进一步分析了超高速撞击物理过程。结果表明:(1)超高速撞击条件下成坑是弹坑+弹洞型;(2)侵深-速度曲线呈现先增大后减小的现象,在弹速2.6 km/s附近存在侵彻深度极大值,约为8.5倍弹长,相对于中低速侵彻的深度并没有显著优势。(3)通过基于数值模拟得到的弹靶界面压力时程曲线将侵彻过程分为4个阶段,其中准定常侵彻阶段和第三侵彻阶段是决定总侵深的主要阶段。(4)随撞击速度增加,弹体侵蚀逐渐剧烈,此时准定常侵彻阶段的侵深变化不大,而第三侵彻阶段中的刚体侵彻部分大幅降低,导致总侵深大幅降低,使总侵深曲线呈现先增大后减小的现象。     

混凝土损伤本构模型下梁承载力研究

为解决混凝土非线性特性难以描述的难题,通过MTS815.02岩石电液伺服系统,对圆柱体混凝土试件施加定围压比为0.2的围压,得出C25、C35、C45混凝土在＂理想无损伤＂状态下的应力-应变曲线;用Ramberg-Osgood公式描述其应力-应变关系,引入损伤变量演化方程,进而得出混凝土一维受压损伤本构模型。通过与实验数据的对比证明了模型的有效性和准确性;详细地分析了无初始损伤条件下配筋梁受弯破坏时的损伤演化过程;计算C25、C35、C45钢筋混凝土梁的受弯承载力。分析结果显示：随着混凝土强度由C25提高到C45,按此模型计算与按规范公式计算所得梁承载力的差异由1.9%升高至2.84%;下降段损伤累积量占总体损伤度的比例由46.26%升高至86.04%。研究表明,本文的分段曲线损伤模型可以较好地模拟梁混凝土的非线性受压过程,并能够给出损伤程度的预测。     

混凝土空心板动力损伤诊断研究

利用4块预应力混凝土空心板的动力测试数据,对板的支承条件和损伤参数进行了识别。识别板的支承条件时,引入弹性支座－质量体系,利用实测的前四阶固有频率作为已知信息,直接采用牛顿法求解,根据板的损伤特征,以线弹性断裂力学为基础,推导了混凝土构件裂缝截面转动刚度表达式。然后利用特征值灵敏度分析和实测的固有频率变化率对单条裂缝的位置及裂缝程度进行了识别。     

盐腐蚀后混凝土的动态本构模型

为探究混凝土受盐腐蚀后的动态力学响应,配置了粉煤灰质量分数为15%的普通硅酸盐水泥混凝土,将其置于质量分数均为15%的NaCl和Na₂SO₄溶液中浸泡腐蚀60 d后,利用?100 mm分离式霍普金森压杆实验装置,测试其受腐蚀后的动态力学性能,并结合宏观唯象损伤统计理论和Weibull分布思想,建立了混凝土受盐腐蚀后的动态统计损伤本构模型。结果表明:受盐腐蚀后,混凝土试件的动态抗压强度均有不同程度的下降,且NaCl溶液腐蚀试件的降幅大于Na₂SO₄溶液腐蚀试件;模型曲线与实验曲线的拟合度较高,能够较准确地描述混凝土在冲击荷载作用下的动态力学响应规律。     

基于分形理论的高强混凝土动态损伤本构关系

基于高强混凝土（HSC）试块在SHPB冲击实验中的分形损伤演化规律,推导了HSC的分形损伤变量表达式,标定了HSC裂纹的分形维数范围。然后参考ZWT模型,并结合HSC实验过程中的应变率相关性、动态损伤特性及近似恒应变率,推导了分形损伤演化的HSC动态损伤本构方程。采用4组应变率工况下的C60、C80混凝土应力-应变曲线对本构方程进行验证,理论曲线和实验曲线吻合较好。