混凝土单轴受拉的非局部本构模型

混凝土受拉本构行为存在很强的局部软化现象,使得单轴受拉试验无法给出应力-应变关系,而只能给出应力-位移关系。本文根据内变量理论和等效应变假设建立了基于真实应变的混凝土单轴受力本构方程,并根据Weibull分布可以描述混凝土等脆性材料断裂过程的试验现象,建立了关于弹性应变的损伤演化规律。然后,通过假设平均应变与真实弹性应变的函数关系,在应力-平均应变的本构关系中采用平均弹性应变以描述其非局部行为,而在材料的损伤演化规律中采用真实弹性应变以描述其局部行为,由此建立了单轴受拉荷载条件下的非局部本构模型。最后,对一个单调受拉试验和一个反复受拉试验的仿真结果表明所提出的非局部本构模型可以准确地模拟试验结果。     

ABAQUS混凝土损伤塑性模型中损伤因子的率相关性及实现方法

ABAQUS程序中最常用的混凝土损伤塑性（concrete damage plasticity, CDP）模型无法实现损伤因子与应变率相关。为了准确描述混凝土材料在高应变率下的损伤特性,基于CDP模型定义了新的应变率场变量,编制了VUSDFLD用户子程序,开发了能够考虑损伤因子率相关性的改进的CDP（modified CDP,MCDP）模型。MCDP模型采用能量法求解混凝土拉压损伤因子,主求解程序能够随着应变率场变量的变化而自动更新不同应变率对应的损伤参数,计算得到的混凝土单轴静态加载结果与CDP模型吻合较好。MCDP模型对高应变率下动态压缩性能的模拟结果表明:混凝土材料在不同应变率下的拉压损伤对其动态力学性能有显著影响,编制的VUSDFLD子程序和MCDP模型能够有效地解决损伤应变率相关的模拟难题,可以准确地模拟爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的动态响应,为预测爆炸冲击等强动载作用下混凝土结构的响应和破坏提供了更可靠的技术途径。     

复杂加载下混凝土的弹塑性本构模型

混凝土材料在不同应力路径下或复杂加载条件下会表现出差异性显著的应力应变关系,在小幅循环加载条件下,其应力应变关系会表现出类似于弹性变形的滞回曲线.在不同应力水平下,混凝土的应力应变关系以及破坏特性都具有静水压力相关特点,即随着静水压力增大,各向异性强度特性弱化.此外,混凝土受压及受拉破坏机理不同,因而对应于混凝土硬化损伤亦有不同,即可分为受压硬化损伤,受拉硬化损伤及两者的混合硬化损伤类型.基于Hsieh模型,对该模型进行了三点改进.（1）针对小幅循环加载下混凝土无塑性变形的试验规律,而模型中在应力水平较低的循环加载条件下始终存在塑性变形的预测问题,采用在边界面模型框架下,设置了应力空间的弹性域,初始屈服面与后续临界状态屈服面几何相似的假定.（2）基于广义非线性强度准则将原模型采用变换应力方法将其推广为三维弹塑性本构模型,采用变换后模型可合理的考虑不同应力路径对于子午面以及偏平面上静水压力效应形成的影响,并避免了边界面应力点奇异问题.（3）分别对拉压两种加载损伤模式建议了相应的硬化参数表达式,可分别用于描述上述加载中产生的应变软化及强度退化行为.基于多种加载路径模拟表明:所建立的三维弹塑性本构模型可合理地用于描述混凝土的一般应力应变关系特性.      

软岩的动态力学本构模型

利用分离式霍布金森压杆实验系统(SHPB)对2种典型的软岩砂质、泥岩进行动态力学性能测试, 测试的应力应变曲线表现出显著的应变硬化和塑性流动等复杂的动态力学特性。基于实验结果,在朱-王-唐 模型的基础上,并且考虑软岩本身结构缺陷的影响,建立了一种适应软岩材料的黏弹性统计损伤模型。该模 型由2个Maxwell体和1个损伤体并联组成,2个Maxwell体用来描述对软岩高分子材料的高低应变率响应 以及软岩材料在动载作用下的塑性变形特性,考虑软岩材料本身缺陷的影响,用一个损伤体代替朱-王-唐模 型中的非弹性弹簧。利用黏弹性统计损伤模型对不同应变率下软岩材料的动态应力应变曲线进行拟合,拟合 曲线与测试曲线一致性良好。     

复杂应力状态镍基单晶合金低周疲劳损伤模型

根据连续介质损伤力学理论,采用应变能释放率作为热力学广义力描述正交异性材料的疲劳损伤过程,引入取向函数考虑镍基单晶合金晶体取向对疲劳损伤的非线性影响,提出了一个各向异性疲劳损伤模型。应用多元线性回归分析方法,拟合疲劳试验数据可确定模型参数。从应变能释放率的应变空间表达式出发,导出了含有3个弹性常数的单晶合金应变三轴性因子,它既反映了材料性能的晶体取向相关性,又反映了正应力和剪应力的相互作用,并可退化为各向同性材料的应变三轴性因子。利用该模型对CMSX-2镍基单晶合金在应力控制对称循环拉-扭载荷作用下的低周疲劳寿命进行预测,预测值与试验值吻合的相当好,试验所得数据均落在2.2倍偏差的分布带内。     

围压状态下的混凝土本构模型

利用已有不同围压下的混凝土三向压缩试验, 分析研究不同围压条件对混凝土强度和应力-应变关系的影响。试验表明, 把混凝土简单视为脆性材料的观点并不符合实际情况, 塑性特征也是混凝土材料主要力学特征。由热力学定律出发, 本文提出了多次方形式的屈服函数和与围压状态相关联的损伤标准化函数, 提出了考虑围压状态的混凝土本构模型。试验结果与数值计算比较表明, 该本构关系可以很好地描述混凝土在不同围压状态下的力学损伤发展和脆-塑性转换力学特征, 也可以描述拉伸作用下的应力-应变关系, 具有一定的普遍意义。     

微结构弹性损伤模型

本文从微结构理论出发,用相对变形描述微结构之间的微空隙和微裂纹引起的材料损伤的影响,得到用损伤张量描述各向异性损伤的微结构弹性损伤模型.化简该损伤模型可得到目前公认的几种主要损伤模型.对于混凝土材料的单向拉、压的基本受载情况的计算结果与D.krajcinovic的平面裂纹矢量损伤模型的计算结果及实验数据吻合较好,特别在失稳后阶段对实验结果也有较好描述.     

混凝土分段曲线损伤模型

在对比分析国内外现有的混凝土受拉损伤模型基础上，结合素混凝土受拉应力应变曲线的试验结果，提出了一个新的混凝土分段曲线损伤模型，并利用应力连续条件确定了损伤模型中各系数的值。运用该模型到力学分析中，推导了矩形截面的混凝土梁在纯弯矩作用下，在损伤较小和损伤较大时的力学方程，算出了梁的最大承载能力，并与材料力学计算的梁承载能力进行了对比。详细分析了损伤区域及损伤应力在横截面上的变化过程，确定了极限状态下含损伤混凝土梁的应力分布和相应的承载能力，画出了损伤状态梁截面的应力分布图。     

准脆性材料的弹塑性各向异性损伤耦合本构模型研究

针对准脆性材料的非线性特征：强度软化和刚度退化、单边效应、侧限强化和拉压软化、不可恢复变形、剪胀及非弹性体胀,在热动力学框架内,建立了准脆性材料的弹塑性与各向异性损伤耦合的本构关系。对准脆性材料的变形机理和损伤诱发的各向异性进行了诠释,并给出了损伤构形和有效构形中各物理量之间的关系。在有效应力空间内,建立了塑性屈服准则、拉压不同的塑性随动强化法则和各向同性强化法则。在损伤构形中,采用应变能释放率,建立了拉压损伤准则、拉压不同的损伤随动强化法则和各向同性强化法则。基于塑性屈服准则和损伤准则,构建了塑性势泛函和损伤势泛函,并由正交性法则,给出了塑性和损伤强化效应内变量的演化规律,同时,联立塑性屈服面和损伤加载面,给出了塑性流动和损伤演化内变量的演化法则。将损伤力学和塑性力学结合起来,建立了应变驱动的应力-应变增量本构关系,给出了本构数值积分的要点。以单轴加载-卸载往复试验识别和校准了本构材料常数,并对单轴单调试验、单轴加载-卸载往复试验、二轴受压、二轴拉压试验和三轴受压试验进行了预测,并与试验结果作了比较,结果表明,所建本构模型对准脆性材料的非线性材料性能有良好的预测能力。     

基于五参数统一强度理论的刚构桥地震损伤分析

混凝土五参数统一强度理论在主应力空间偏平面上的边界线为十二边形,可通过调整中间主应力的影响系数消除角点的奇异性,以单位体积材料当前塑性耗能及其断裂能的比值定义损伤变量,根据相关流动准则推导混凝土的弹塑性损伤本构关系。该模型可同时考虑混凝土材料中间主应力的影响、高应力状态下的静水应力效应、拉压异性和随动强化效应等,不考虑循环荷载下的刚度折减。由图形回归法给出应力更新的数值方法,编写了相应的Fortran语言程序,并将其用于大跨度连续刚构桥地震损伤的模拟,计算结果验证了所用模型的预测能力。     

Damage-induced nonassociated inelastic flow in rock salt

The multimechanism deformation coupled fracture model recently developed by Chanet al. [1992], for describing time-dependent, pressure-sensitive inelastic flow and damage evolution in crystalline solids was evaluated against triaxial creep experiments on rock salt. Guided by experimental observations, the kinetic equation and the flow law for damage-induced inelastic flow in the model were modified to account for the development of damage and inelastic dillation in the transient creep regime. The revised model was then utilized to obtain the creep response and damage evolution in rock salt as a function of confining pressure and stress difference. Comparison between model calculation and experiment revealed that damage-induced inelastic flow is nonassociated, dilational, and contributes significantly to the macroscopic strain rate observed in rock salt deformed at low confining pressures. The inelastic strain rate and volumetric strain due to damage decrease with increasing confining pressures, and all are suppressed at sufficiently high confining pressures.     

含热冲击预损伤的陶瓷基复合材料损伤本构模型

陶瓷基复合材料结构在服役过程中不可避免地经受热冲击(较高的热应力梯度)而产生热机械损伤, 因此, 建立含循环热冲击预损伤材料的损伤本构模型, 以描述材料在热机械载荷作用下的力学行为, 对材料结构损伤容限设计与结构完整性评估非常重要. 本文首先对经历了循环热冲击的材料进行单调拉伸损伤实验, 发现对于含循环热冲击预损伤的材料, 其弹性模量的下降与所施加的应变直接相关. 然后在连续介质损伤力学的框架下, 基于平面应力假设, 建立了含循环热冲击预损伤材料的损伤演化模型, 该模型所涉及的参数可通过一个偏轴(45$^\circ$)以及两个正轴(平行于两个主方向)的单调拉伸试验获得. 最后, 采用经典塑性理论对由基体损伤引起的非弹性应变进行了描述. 本文所提出的应变损伤宏观模型可以描述陶瓷基复合材料在热机械载荷作用下的损伤演化, 同时弥补了含预损伤的陶瓷基复合材料在机械载荷下损伤本构模型在理论及实验研究方面的不足.      

An application of a damage constitutive model to concrete at high temperature and prediction of spalling

A characteristic feature of concrete under uniaxial compression is the development of cracks parallel to the loading direction. A damage constitutive model proposed by Ortiz [Ortiz, M., 1985. A constitutive theory for the inelastic behaviour of concrete. Mech. Mater. 4, 67–93] can predict the transverse tensile stress responsible for these cracks by considering the interaction between the aggregate and the mortar and the development of damage in the latter. When concrete is exposed to high temperature, as is the case during fire, the failure mode is thermal spalling. In order to improve the prediction of the stresses involved in this failure Ortiz’s model is extended to account for the effects of high temperature. Published experimental results for uniaxial and biaxial compression at high temperatures are used to calibrate the temperature dependence of some of the material properties. The transient creep strain is accounted for by modifying the constrained thermal strain. The stress analysis is coupled with hygro-thermal analysis of heat, mass transfer and pore pressure build-up. The effect of pore pressure on the damage evolution is modeled by applying a body force in the stress analysis module proportional to the pressure gradient. A numerical example of concrete under fire is solved and the computed results are discussed. Spalling is predicted when the damage variable reaches its maximum value of unity. The predicted depth and time of spalling for a range of variation of permeability and initial liquid water content are presented. They are in good agreement with published experimental results.     

Flow/damage surfaces for fiber-reinforced metals having different periodic microstructures

Flow/damage surfaces can be defined in terms of stress, inelastic strain rate, and internal variables using a thermodynamics framework. A macroscale definition relevant to thermodynamics and usable in an experimental program is employed to map out surfaces of constant inelastic power in various stress planes. The inelastic flow of a model silicon carbide/titanium composite system having rectangular, hexagonal, and square diagonal fiber packing arrays subjected to biaxial stresses is quantified by flow/damage surfaces that are determined numerically from micromechanics, using both finite element analysis and the generalized method of cells. Residual stresses from processing are explicitly included and damage in the form of fiber–matrix debonding under transverse tensile and/or shear loading is represented by a simple interface model. The influence of microstructural architecture is largest whenever fiber-matrix debonding is not an issue; for example in the presence of transverse compressive stresses. Additionally, as the fiber volume fraction increases, so does the effect of microstructural architecture. These results indicate that microstructural architecture needs to be accounted for in an accurate continuum model, thus complicating development of such a model. With regard to the micromechanics analysis, the overall inelastic flow predicted by the generalized method of cells is in excellent agreement with that predicted using a large number of displacement-based finite elements.     

基于OTTOSEN准则的混凝土粘塑性力学模型

研究了混凝土的弹．粘塑性动态本构关系,提出一个应变率相关的非线性混凝土模型．模型改进Bicanic的混凝土塑性间断面变化规律和Ottosen的四参数屈服准则,建立冲击荷载下的混凝土本构方程,可以应用于地震和爆炸作用下混凝土材料响应的研究．根据混凝土动态实验结果对应变率和材料强度的关系提出合理假设,考虑以往被忽略的材料峰值应变和泊松比随应变率的变化．模型包含静水压力参数和动态塑性损伤因子,可以有效地反映混凝土的动态力学行为,为其动态问题的研究提供有益的思路和有效的工具．     

Stochastic damage model for concrete based on energy equivalent strain

Starting with the framework of conventional elastoplastic damage mechanics, a class of stochastic damage constitutive model is derived based on the concept of energy equivalent strain. The stochastic damage model derived from the parallel element model is adopted to develop the uniaxial damage evolution function. Based on the expressions of damage energy release rates (DERRs) conjugated to the damage variables thermodynamically, the concept and its tensor formulations of energy equivalent strain is proposed to bridge the gap between the uniaxial and the multiaxial constitutive models. Furthermore, a simplified coupling model is proposed to consider the evolution of plastic strain. And the analytical expressions of the constitutive model in 2-D are established from the abstract tensor expression. Several numerical simulations are presented against the biaxial loading test results of concrete, demonstrating that the proposed models can reflect the salient features for concrete under uniaxial and biaxial loading conditions.     

混凝土黏塑性动力损伤本构关系

从静力弹塑性损伤本构关系的基本框架出发, 综合考虑塑性应变与损伤 演化的率敏感性, 建立了能够较为全面地描述混凝土在动力加载条件下非线性性能的混凝土 黏塑性动力损伤本构模型. 为了考虑塑性应变的率敏感性, 基于Perzyna理论推导了有效应 力空间黏塑性力学基本公式, 采用改进的Perzyna型动力演化方程, 将损伤静力演化方程推 广到动力加载情形. 基于并联弹簧模型, 从概率论的角度推导给出了一维损伤静力演化方程, 并基于能量等效应变的基本概念将其推广到多维损伤演化. 利用数值模拟, 计算得到了 混凝土在不同应变率下的应力应变全曲线, 同时得到了一维动力提高因子和二维动力强度包 络图, 数值结果与试验结果的对比表明了该模型的有效性.     

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。     

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。