爆炸载荷作用下混凝土靶板动态响应的细观模拟

考虑到一些对裂纹要求较严格的混凝土结构可能遭受到冲击载荷的威胁,利用混凝土三维细观力学模型对混凝土板在炸药爆炸（接触爆炸、封闭爆炸）载荷作用下的响应和破坏情况进行数值模拟,并就影响靶板内裂纹扩展结果的因素展开参数讨论。模型考虑了混凝土材料的内部细观结构（包括粗骨料体积分数、尺寸、级配等）以及三相材料力学性能的影响,准确地预测了混凝土板在2种爆炸条件下的裂纹形貌和开坑尺寸。通过与宏观均质模型的模拟结果进行对比可知,细观模型预测的接触爆炸条件下混凝土靶板的开坑形态、尺寸,以及封闭爆炸条件下混凝土盖板的主裂纹数量,均与实验观察更为贴近。此外,参数研究结果表明,三维细观力学模型的全局网格尺寸以及模型内各组分的相对网格尺寸均会对模拟结果的精度产生影响,选择与空气网格尺寸相当的混凝土网格尺寸,可以在获得较准确模拟结果的同时保证计算效率;骨料粒径大小也会影响混凝土板在爆炸载荷作用下的响应和破坏结果。混凝土三维细观力学模型能够反映混凝土结构在冲击载荷作用下的损伤和破坏的细观机理及影响因素,对指导工程设计和结构安全评估具有重要的理论意义和实际应用价值。

     

Effect of T-stress on the mode-I fracture toughness of concrete

T-stress expressions are provided for three-point bending (TPB) beams and compact tension (CT) specimens and then its influence on mode I fracture toughness of concrete is investigated. The study shows that T-stress is dependent on the specimen's geometry and the material's property as well, and for TPB and CT specimens of regular size, T-stress is so small that its consequences can be neglected. The study also indicates that concrete specimen size should be carefully chosen to make sure the existence of K-dominance ahead of the crack tip, thus fracture toughness extracted from these specimen configurations can be reliable.     

Dynamic fracture toughness of high strength metals under impact loading: increase or decrease

An elusive phenomenon is observed in previous investigations on dynamic fracture that the dynamic fracture toughness(DFT) of high strength metals always increases with the loading rate on the order of TPa.m 1 /2.s 1.For the purpose of verification,variation of DFT with the loading rate for two high strength steels commonly used in the aviation industry,30CrMnSiA and 40Cr,is studied in this work.Results of the experiments are compared,which were conducted on the modified split Hopkinson pressure bar(SHPB) apparatus,with striker velocities ranging from 9.2 to 24.1 m/s and a constant value of 16.3 m/s for 30CrMnSiA and 40Cr,respectively.It is observed that for 30CrMnSiA,the crack tip loading rate increases with the increase of the striker velocity,while the fracture initiation time and the DFT simultaneously decrease.However,in the tests of 40Cr,there is also an increasing tendency of DFT,similar to other reports.Through an in-depth investigation on the relationship between the dynamic stress intensity factor(DSIF) and the loading rate,it is concluded that the generally increasing tendency in previous studies could be false,which is induced from a limited striker velocity domain and the errors existing in the experimental and numerical processes.To disclose the real dependency of DFT on the loading rate,experiments need to be performed in a comparatively large striker velocity range.     

爆炸荷载下钢筋混凝土梁的变形和破坏

利用爆炸压力模拟器进行钢筋混凝土简支梁爆炸冲击实验,详细介绍了实验设计,通过实验系统分析了钢筋混凝土(RC)梁变形破坏特征以及钢筋作用机理和对变形破坏的影响,并建立了RC梁的分离式有限元模型,利用LS-DYNA分析了实验过程,对计算结果与实验结果进行了比较,分析了误差产生的原因,得到了爆炸冲击荷载作用下RC梁的损伤破坏特征和机理,可为毁伤评估和结构抗爆设计提供参考。     

爆炸加载下混凝土表面的裂纹扩展

为深入研究内爆加载下岩土类材料的破坏机理,提出了一种新的爆炸裂纹检测算法,采用数字图像相关方法测量表面位移场和应变场,建立了裂纹扩展和扩张模型,并通过混凝土内爆试验观测裂纹扩展过程,研究了裂纹长度扩展与宽度扩张规律。结果表明,裂纹长度扩展是应力波和爆生气体共同作用的结果,裂纹最大扩展速度为225.95 m/s,平均速度为122.27 m/s,裂纹总长159.92 mm,长度扩展止于1.75 ms;裂纹的张开由气体主导,最大宽度1.59 mm,作用时间长达4.5 ms;拉应变集中区先于裂纹出现,其形状决定了裂纹的走向和趋势,爆炸加载下断裂过程区长度为骨料粒径的8～9倍。

     

爆炸荷载下基于细观建模的素/钢筋混凝土板破坏模式

为了获得爆炸荷载下细观结构对素/钢筋混凝土板的影响,采用随机骨料投放建立了素/钢筋混凝土板细观模型。利用LS-DYNA对基于细观建模的钢筋混凝土板进行爆炸荷载作用下的数值模拟,通过与实验以及均质建模方法进行比较,验证了细观建模方法的准确性。进而研究了基于细观建模的素/钢筋混凝土板在不同爆炸荷载下的结构响应,获得了素/钢筋混凝土板的响应过程和破坏模式。结果表明：在低药量（1、2 kg）爆炸荷载下,细观结构对素/钢筋混凝土板的影响较小,其破坏模式以纵横塑性铰线破坏为主,药量越大,铰线越多;在高药量（5、10和15 kg）爆炸荷载下,细观结构对素/钢筋混凝土板的影响较大,与均质模型相比存在较大差异,细观素/钢筋混凝土板以爆坑为中心,产生环向与径向裂纹,药量越大,圆坑越大,裂纹越多,板局部破坏越严重。

     

岩石断裂韧度试样CCNBD临界应力强度因子的全新数值标定

国际岩石力学学会（ISRM）提出的用人字型切槽巴西圆盘（Cracked Chevron Notched Brazilian Disc—CCNBD）测试岩石I型断裂韧度所必需的量纲为一的临界应力强度因子Y＊min的精度需要进一步改进。本文对CCNBD试样的Y＊min进行了系统的重新标定,CCNBD的几何参数有效范围为0.44≤αB≤1.04、0≤α0≤0.69、0.4≤α1≤0.8。采用有限单元法对CCNBD做三维数值分析,得到了435种CCNBD试样的Y＊min值标定结果;在此基础上全面修正了CCNBD试样Y＊min计算公式中u和v的取值表;给出了不用查表直接确定CCNBD试样Y＊min值的近似表达式,该表达式计算结果与标定结果的相对误差绝对值在1.87%以内。对于ISRM建议的CCNBD标准试样的Y＊min值：ISRM标定值0.84比本文结果0.957小12.2%;分片合成法标定值0.947比本文结果小1.0%;子模型法标定值0.943比本文结果小1.5%。本文特别强调了任何CCNBD试样Y＊min的取值必须在它对应的上限和下限所限定的范围内,这一要求对判断Y＊min标定值是否合理是很重要的。     

接触爆炸荷载对钢筋混凝土梁的局部毁伤效应

为得到接触爆炸下钢筋混凝土（reinforced concrete,RC）梁的局部破坏模式和毁伤效应,对同一尺寸的RC梁进行了不同装药量的接触爆炸试验研究。试验中采用框架结构中典型工程尺度RC原型梁为研究对象,通过4次爆炸试验,观测了RC梁在不同装药量下的局部破坏模式和破坏特征,分析了装药量对局部毁伤效应的影响。研究结果表明：接触爆炸荷载作用下,RC梁将发生正面成坑、侧面崩落、背面震塌和截面冲切等局部破坏模式,爆坑深度、震塌厚度、表面毁伤面积以及受压区纵筋变形均与装药量立方根近似呈线性增加关系。在试验数据基础上,将RC梁局部毁伤程度划分为轻度毁伤、中度毁伤、重度毁伤和严重毁伤4个等级,采用比例装药量判据进行评估。研究成果可为抗爆结构设计和结构毁伤评估提供理论依据。

     

部分预应力混凝土梁抗冲击性能试验研究

通过在跨中施加一落锤冲击荷载的方法,研究了3根无粘结部分预应力混凝土梁的抗冲击性能,给出了典型的实测波形曲线,测得了无粘结部分预应力混凝土试验梁在落锤冲击荷载作用下的动态位移延性和极限承载能力,分析了落锤重力势能对预应力混凝土梁动力性能的影响,并根据相似模拟理论,得出了与试验梁相似的12 m跨度的实际无粘结部分预应力混凝土梁的极限抗冲击承载能力。肯定了无粘结部分预应力混凝土试验梁具有很好的抗冲击性能,不会发生脆性破坏,完全可用于大跨度地下结构。     

致密砂岩巷道模型试件动态起裂及止裂全过程分析

为了开展在不同冲击载荷作用下巷道围岩内裂纹的起裂、扩展及止裂等问题,以可调速冲击试验机进行动态加载试验,采用致密青砂岩制作裂纹巷道模型试件,并利用裂纹扩展计分别记录了动态起裂、扩展、止裂等时刻,对裂纹扩展速度的变化规律进行分析;随后采用AUTODYN有限差分法软件进行相应的数值模拟,数值模拟得到的裂纹扩展路径与试验结果基本一致。经过两者对比分析可知:随着冲击载荷作用的增加,裂纹平均扩展速度逐渐增大,随后趋于稳定值;预制裂纹的起裂时间随着冲击速度载荷的增加而逐渐降低,并在稳定值上下波动;随着冲击速度载荷的增加,裂纹扩展路径过程中的止裂时段逐渐变短。     

混凝土复合型裂纹扩展的非局部近场动力学建模分析

基于非局部近场动力学理论,构建了修正的能反映混凝土宏观拉压异性和断裂特征的近场动力学本构模型,开发了相应的离散、加载和时间积分算法,实现典型混凝土构件中复合型裂纹扩展过程模拟。在物质点对尺度上定义局部损伤并考虑物质点对的相对转动,通过求解时空微-积分方程实现裂纹的自然萌生与扩展,避免裂尖不连续带来的求解奇异性、网格依赖性和网格重构以及常规近场动力学本构模型的泊松比限制。通过含单边和双边初始裂纹四点剪切混凝土梁裂纹扩展破坏全过程模拟,得到破坏形态、破坏荷载以及完整的荷载-裂纹开口滑移曲线,并与试验和其他数值模拟结果对比,验证了模型的精确性和算法的稳定性。     

Experimental investigation and numerical analysis: fracture mechanics and microstructural development in Ni55.8Ti superalloy under mixed-mode loading at different temperatures

Meccanica - Shape memory alloys (SMAs) and specifically NiTi superalloys have gained significant attention in different industries for their excellent mechanical properties and superior material...     

混凝土三点弯曲梁裂缝断裂全过程数值模拟研究

考虑裂缝黏聚力的作用,基于Paris位移公式推导出混凝土三点弯曲梁裂缝扩展过程中断裂过程区上的裂缝张开位移的解析表达式.采用起裂韧度作为裂缝起裂及扩展的判断标准,提出了荷载作用下混凝土裂缝起裂、扩展及失稳破坏全过程的数值模拟方法,并分别与国内外断裂试验实测值及有限元计算值进行了比较.结果表明,本文提出的数值模拟方法形式简单且精度较好.     

Lattice type of fracture model for concrete

Concrete is usually described as a three-phase material, where matrix, aggregate and interface zones are distinguished. The beam lattice model has been applied widely by many investigators to simulate fracture processes in concrete. Due to the extremely large computational effort, however, the beam lattice model faces practical difficulties. In our investigation, a new lattice called generalized beam (GB) lattice is developed to reduce computational effort. Numerical experiments conducted on a panel subjected to uniaxial tension show that the GB lattice model can reproduce the load–displacement curves and crack patterns in agreement to what are observed in tests. Moreover, the effects of the particle overlay on the fracture process are discussed in detail.     

钢筋混凝土梁临界斜裂缝倾角计算的概率模型

综合考虑剪跨比、混凝土强度、配筋率和配箍率等重要因素的影响,研究建立了RC梁临界斜裂缝倾角计算的概率模型。首先,基于修正压力场理论,建立了RC梁临界斜裂缝倾角的确定性计算模型;然后,引入剪跨比修正系数,并综合考虑主观不确定性和客观不确定性因素的影响,结合贝叶斯理论和马尔科夫链蒙特卡洛法（MCMC）,建立了RC梁临界斜裂缝倾角计算的概率模型;最后,通过与试验数据和传统确定性计算模型的对比分析,验证了该模型的有效性和适用性。分析结果表明,随着剪跨比的增大,RC梁的临界斜裂缝倾角逐渐减小;临界斜裂缝倾角的试验测试值的范围为23°～41°,具有显著的离散性;本文概率模型不仅可以合理描述临界斜裂缝倾角的概率分布特性,而且可以校准传统确定性计算模型的计算精度和置信水平,以及根据预定的置信水平确定临界斜裂缝倾角的概率特征值,具有良好的计算精度和适用性。     

高应变率下断裂韧性实验的数值模拟

采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA程序对静态和冲击荷载作用下的含裂纹半圆弯曲(SCB)实验进行了数值模拟。根据静态实验的模拟结果,提出了适合复合型加载的Ⅰ型应力强度因子拟合公式,采用该公式计算应力强度因子的最大误差不超过10%。动态实验的模拟结果表明:对于纯Ⅰ型加载的SCB实验,动态应力强度因子随着试样半径、支座间距以及相对裂纹长度的变化呈现规律性变化;当试样半径小于60mm、相对支座间距为1.2、相对裂纹长度在0.1~0.4范围内时,惯性效应的影响较小,采用静态拟合公式计算裂尖的动态应力强度因子的误差约10%;对于复合型加载的SCB实验,当相对裂纹长度为0.2~0.4、裂纹倾角在10°~40°范围内时,采用静态拟合公式计算裂尖的动态应力强度因子的误差小于10%。     

Experimental and numerical investigation of fracture in a cast aluminium alloy

This paper describes an experimental and numerical investigation on the fracture behaviour of a cast AlSi9MgMn aluminium alloy. In the experiments, a modified Arcan test set-up was used to study mixed-mode fracture. During testing, the tension load and the displacement of the actuator of the test machine were recorded, simultaneously as a high-resolution digital camera was used to record a speckle-patterned surface of the specimen. The recorded images were post-processed using an in-house digital image correlation (DIC) software to obtain information of the displacement and strain fields in the specimen during the test. In addition, some newly implemented features in the DIC software allowed us to detect and follow the crack propagation in the material. The numerical calculations were carried out with a user-defined material model implemented in an explicit finite element code. In the model, the material behaviour is described by the classical J₂ flow theory, while fracture was modelled by the Cockcroft–Latham criterion, assuming the fracture parameter to follow a modified weakest-link Weibull distribution. With the proposed probabilistic fracture modelling approach, the fracture parameter can be introduced as a random variable in the finite element simulations. Crack propagation was modelled by element erosion, and a non-local damage formulation was used to reduce mesh-size sensitivity. To reveal the effect of mesh density and meshing technique on the force–displacement curves and the crack propagation, several different meshes were used in the numerical simulations of the modified Arcan tests. The numerical results were finally compared to the experimental data and the agreement between the measured and predicted response was evaluated.     

水平荷载下型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架受力性能非线性数值分析

在型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架拟静力试验的基础上,采用Abaqus软件建立该组合框架有限元模型并进行非线性数值分析,获取组合框架的变形图、应力云图及荷载-位移骨架曲线,分析组合框架的受力破坏特征,验证了有限元模型的合理性,并对组合框架进行了参数分析。结果表明,数值模拟计算值和试验值对比误差较小,数值计算模型能够较好地模拟该组合框架的受力性能;组合框架符合强柱弱梁的破坏机制;另外,提高型钢强度或再生混凝土强度对组合框架承载力和刚度有利,但对其变形能力不利;框架承载力和刚度随着梁柱线刚度的增加而提高;增大轴压比对于组合框架的抗震性能和延性不利。研究结论可为该类绿色组合框架的工程应用提供参考。     

冲击载荷下岩石压胀对其性质的影响

采用落锤动态加载岩石实验系统,通过调节落锤质量、下落距离及活塞杆垫板材料,记录岩石瞬间形成冲击压力脉冲,研究压胀对不同岩石性质影响的规律。实验结果表明,压胀产生后岩石的性质发生了改变,岩石的渗透率有不同程度的增加,且岩石越致密,渗透率增加倍数越大;岩石的弹性模量和弹性极限随岩石体积的增加而降低;压胀产生后纵波和横波在岩石中的传播速度减小,岩样内部产生了微裂纹或原有微裂纹延伸扩展造成孔隙度增加。