爆炸载荷下顺层台阶边坡渐进破坏规律数值分析

在连续–非连续单元方法（continuum−discontinuum element method,CDEM）框架中引入了岩体损伤破裂模型及爆生气体绝热膨胀模型,开展了爆炸载荷下顺层台阶边坡渐进破坏过程的数值分析,探讨了爆破距离、结构面产状、结构面强度等因素对边坡顺层结构面破坏特征的影响规律。结果表明,爆破作用下,顺层结构面将发生拉剪复合型破坏,结构面倾角越大、结构面强度越低、爆破距离越小,顺层边坡越容易出现失稳破坏。相较于爆破距离,结构面强度对结构面破裂面积的影响更大,随着结构面强度的增大,破裂面积迅速减小。

     

长方体单腔室空腔环境内爆炸效应的实验研究

为了获得在典型空腔内发生爆炸后,结构壁面上爆炸载荷的分布规律和空腔结构的破坏形式,以国防工事和人防工事的等级设计规范为依据,设计了长方体单腔室空腔模型,并对该模型进行了药量逐渐递增直至可使结构破坏的内爆炸实验。用压力传感器和加速度传感器分别记录了单腔室壁面上爆炸载荷的压力时程曲线和结构壁面振动的加速度时程曲线,分析了壁面上爆炸载荷的分布规律以及模型结构的破坏形式,并将首个峰值的实测数据与理论计算和数值模拟结果进行了对比,探讨了3种研究方法产生误差的原因。     

FRP-混凝土界面剥离破坏过程并行数值模拟

采用材料真实破裂过程三维并行分析(RFPA~(3D)-Parallel)系统,对FRP-混凝土界面的粘结性能进行了三维并行数值试验研究,数值试验再现了FRP-混凝土构件的三维破裂过程演化过程,清晰地表明拉伸载荷作用下FRP-混凝土界面剥离破坏是一个细观损伤不断产生和宏观裂缝形成的渐进过程,FRP-混凝土结构损伤演化过程的声发射揭示了FRP-混凝土结构在外载荷作用下的损伤程度.FRP-混凝土结构在加载过程中的变形剥离破坏过程大致可以划分为弹性变形阶段、弹性软化阶段、弹性软化剥离阶段和软化剥离阶段.数值计算表明RFPA~(3DParallel并行数值模拟方法为FRP-混凝土结构界面剥离破坏过程和机理研究提供了一个很好的途径,同时也为研究FRP-混凝土工程结构等的损伤断裂机理提供了一个新的分析手段.     

舱室内爆下舰船结构损伤的一种计算方法

为了评估舱室内爆多载荷耦合作用下舰船结构的损伤范围,设计了大尺度舱段模型,并开展了舱室内爆毁伤试验,试验后测量了舱室结构的破坏范围及破坏模式,分析了舱室内爆多载荷耦合作用下舰船结构的损伤机理,据此建立了舱室内爆下舰船结构损伤的计算方法。结果表明：(1)舱室内爆下形成的强冲击波载荷和准静态压力载荷可对舰船结构造成大范围的损伤,形成多种破坏模式;(2)舱室内爆下准静态压力载荷是舱室结构损伤破坏的主要毁伤元;(3)建立的舱室内爆载荷下结构损伤变形计算方法可同时考虑强冲击载荷和准静态压力载荷对结构的损伤破坏,理论计算结果与试验结果吻合较好。     

爆炸载荷下海洋平台夹层板结构研究

海洋平台在服役期间,常会遭到油气泄漏而引起的爆炸冲击破坏.夹层板结构是近代发展起来的一种比较先进的结构形式,具有比强度高、比刚度大等特点.以某海洋平台燃油舱围壁为研究对象,设计了三种夹层板结构,分别为U型夹层板、V型夹层板和蜂窝型夹层板.基于此,使用MSC.Dytran对不同舱壁结构在爆炸载荷下的动态响应进行数值仿真计算,并与传统平板的计算结果进行比较分析,从而获得防爆效果较好的夹层板防爆舱壁结构.为模拟海洋平台燃油舱油气泄漏导致爆炸产生的爆炸冲击波对平台多舱室结构的破坏作用,采用了能够考虑耦合面破裂的多欧拉域的流固耦合算法.     

水下弹射与横向动力学耦合模型研究

导弹水下发射时,在横向载荷作用下的姿态变化是影响发射安全的重要因素。笔者围绕水下弹射引起的多相流动及支承结构变形载荷,以计算流体力学方法和嵌套动网格技术为基础,依据弹体六自由度运动引起的支承载荷变化,构建水下弹射与横向动力学耦合计算模型。该模型应用于模拟弹射和横向流作用下的导弹弹射过程,模拟结果表明:采用流动与刚体动力学耦合模型计算结果与实验测量结果在最大负压冲击下误差小于5%,能够有效描述水下弹射的水-气两相流动特征,可用于水下弹射与动力学模型的耦合分析。     

冲击载荷作用下准脆性连续体破裂问题研究

在连续体动力问题中心差分算法的基础上,引进准脆性材料的破坏准则,节点单元的破裂算法、离散子块的接触搜索及接触力计算等,对准脆性连续体在冲击载荷作用下的破裂破坏问题进行数值模拟.通过数值算例,给出结构在冲击载荷作用下裂纹产生和扩展的模拟结果图,初步验证程序的正确性和可应用性,为模拟连续体转变为非连续体这一复杂物理过程提出新方法和新思路.     

混凝土材料冲击特性的研究

基于混凝土材料强冲击加载下的试验研究,提出了两种损伤型动态本构模型： 损伤型黏弹性本构模型和损伤与塑性耦合的本构模型. 通过模型计算结果与冲击试验结果的 比较可发现,随着冲击速度的提高,混凝土材料内部产生了显著的塑性变形,由此 损伤型黏弹性本构模型的应用就存在一些不足. 而损伤与塑性耦合的本构模型由于考虑了裂 纹扩展引起的材料强度和刚度的弱化,以及微空洞缺陷塌陷引起的塑性变形,因而能更好地 用于模拟强冲击载荷作用下混凝土材料的冲击响应特性.     

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。

     

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。

     

均匀水流冲击下扭王字块断裂失稳过程的数值模拟研究

扭王字块是一种重要的港口防波堤护面块体,其断裂失稳过程与所受水流冲击力密切相关。文章以基于连续介质力学的离散元方法(CDEM)为基础,通过引入FVM算法及半弹簧-半棱联合接触模型,分别实现了大位移下单元变形的准确计算及单元接触的快速更新。基于改进后的CDEM方法,通过在扭王字块表面施加按流速方向逐渐增加的动态面力,对均匀水流冲击下单扭王字块的断裂过程及扭王字块群的失稳滑移过程进行了数值分析。通过分析,不同方向水流冲击下单扭王字块的主要断裂模式为沿着根部的折断,其断裂流速约为21~25m/s;不同吨位下扭王字块群的失稳模式为扭王字块单体从群体中跳出,其失稳流速约为4~11m/s。     

长持时爆炸冲击波荷载作用下梁板组合结构的动力响应

为研究钢筋混凝土梁板组合结构在长持时远爆冲击波荷载作用下的动力响应及毁伤形态,通过实验获得了梁板组合结构的破坏形态和背爆面中心点位移变化。利用有限元软件对钢筋混凝土梁板组合结构的动态响应过程进行数值模拟研究,模拟得到的结构破坏现象与实验吻合较好。在此基础上,分析了梁板组合结构在相同冲量、不同峰值爆炸荷载作用下组合结构的动态响应和破坏过程,并结合挠跨比与破坏形态划分破坏模式。研究结果表明,相同冲量作用下,随着爆炸荷载峰值强度增加,梁板组合构件的破坏程度逐渐增加,破坏模式从弯曲破坏向弯剪联合破坏转换,最后呈现冲切破坏模式;组合构件中板部分发生破坏的时间早于交叉梁部分、破坏程度大于交叉梁。

     

弹性地基双层梁理论下的混凝土路面力学分析

为建立混凝土路面结构受力分析计算模型,以Winkler弹性地基梁模型为基础,推导出了弹性地基双层梁理论的表达式;给定边界条件,利用MATLAB软件获得了无限长弹性地基梁在集中力作用下的挠度表达式。将混凝土路面结构简化为弹性地基上的双层梁,当车辆荷载作用于混凝土路面时,在集中载荷的作用下,建立了面层与基层的微分平衡方程。应用广义“初参数”法,得到了双层梁位移和应力的解析解。通过算例,对面层及基层的变形和应力进行了分析,结果表明:增大面层、基层的轴惯性矩和地基的弹性常数,可以有效地减少面层和基层的变形量,降低最大应力数值,但抗弯刚度对基层和面层的弯矩受力影响不大。最后将结果与ANSYS分析结果进行了比较,佐证了解的可靠性,研究结果可为混凝土路面结构设计提供依据。     

基于混合方法的二维水力压裂数值模拟

水力压裂在页岩气开采中被广泛使用,采用数值方法研究压裂机理具有重要意义.基于连续-非连续单元法(CDEM) 和中心型有限体积法(FVM),提出解决水力压裂流固耦合问题的二维混合数值计算模型.该混合模型中,使用CDEM 求解应力场和裂缝扩展过程,使用FVM 求解裂隙渗流场.应力场裂缝扩展和渗流场均使用显式迭代求解, 并通过相互之间数据交换实现流固耦合.通过与KGD 理论模型进行对比, 验证数值模型的正确性.通过与颗粒离散元数值结果进行对比,验证数值模型的有效性.通过计算复杂缝网压裂模型,研究水力压裂机理,并说明该数值模型在水力压裂模拟中具有很好的前景.      

钢筋混凝土结构的三维有限元非线性分析

提出了一个简单的混凝土三维本构模型,结合两种钢筋分布模式编制了钢筋混凝土结构非线性分析的三维有限元程序,通过两个经典的算例对比分析,表明本文提出的混凝土本构模型能够有效地模拟结构的破坏荷载和破坏过程。     

爆炸荷载作用下大跨预应力混凝土框架动力响应分析

为了研究预应力混凝土(prestressed concrete, PC)框架结构的抗爆性能,利用有限元软件LS-DYNA对一栋3层2跨的大跨有/无黏结PC框架结构在不同比例距离的外部远爆荷载作用下的动力响应进行了分析。分析结果表明：混凝土预应力框架在地表远爆荷载作用下,最大层间位移角与前墙所受峰值反射超压近似成线性关系;有黏结混凝土预应力框架结构层间位移角相较于无黏结混凝土预应力框架更小,损伤分布更均匀,结构抗爆性能更好;基于分析结果,给出了不同比例距离对应的损伤状态,可用于对混凝土预应力框架结构进行爆炸损伤状态快速评估。

     

现场实测结构温度对半刚性沥青路面性能的影响

针对中国特色的半刚性基层沥青路面,在广韶高速公路瓮城段进行为期一个月高温期的现场温度观测。运用三维有限元方法,结合现场实测温度,分析了半刚性沥青路面结构的最大拉应力、最大剪应力和最大路表弯沉在荷载和荷载耦合作用下的变化情况。结果表明,随着路面深度增加,温度波动的幅度逐渐减小;路面内的最高温度相对大气和路表温度滞后约1小时;沥青路面内部温度高于表面温度;大气、路表和路面内部温度变化基本同步,温度波峰与波谷的出现频率相同;在温度和荷载综合作用下,路表以下2cm深度范围内易出现因拉应力不足造成的开裂破坏;路表以下10cm深度范围内,较易出现剪切破坏;高温温度场的存在虽不会明显增大路面结构各层的拉应力与剪应力,但会明显增大路表弯沉,故易产生车辙破坏。     

Application of some anisotropic damage model to the prediction of the failure of some complex industrial concrete structure

The aim of this paper is to present a new model for the anisotropic damage of concrete and apply it to the numerical simulation of the failure of some complex structure. This model considers damage as anisotropic in tension but isotropic in compression, and incorporates asymmetry between tension and compression. In spite of its complexity, it is expressed in a format fit for numerical calculations by the finite element method, and involves only six material parameters (in addition to the usual elastic constants), which makes it suitable for applications to large industrial structures. The material parameters can be identified from simple uniaxial and biaxial experiments. The application envisaged relates to the failure of some cylindrical nuclear containment vessel subjected to some excessive internal pressure. This structure is made of reinforced concrete containing both passive (initially stress-free) steel armatures and pre-stressed cables. The numerical results illustrate the importance of incorporation of both asymmetry between tension and compression and anisotropy of damage in the simulation to accurately predict the resistance of the structure to fracture.     

受拉钢筋混凝土构件破坏过程中的等间距裂缝形成机理

采用三维真实材料破坏过程分析RFPA3D(Three-Dimension Realistic Failure Process Anal-ysis)系统,先对受拉钢筋混凝土构件在轴向拉伸作用下的破坏过程进行了数值试验研究,并与相应的实验结果进行了比较,数值试验得到的结果都与实验吻合的较好.并在此验证基础上利用RFPA系统着重分析了混凝土及钢筋在拉伸条件下的破坏过程中的应力分布情况过程及破坏机理.数值试验结果表明,受拉钢筋混凝土结构破坏过程中存在“等间距裂缝现象“,并通过破坏分析再现了裂缝形成、加密直至饱和的演化过程.本文还用三维程序,通过多个不同混凝土厚度钢筋混凝土构件的数值试验,研究了混凝土厚度对裂缝数及裂缝间距的影响,进一步发现饱和裂缝间距与混凝土厚度之间存在正比关系.随混凝土保护层厚度的增加而增大,裂缝数量随混凝土保护层厚度的增加而减少.