混凝土HJC动态本构模型的研究

文章运用显式非线性动力分析软件LS-DYNA,选用HJC动态本构模型对混凝土SHPB试验进行了一系列的数值模拟,对HJC动态本构模型的理论框架以及材料参数的力学特点进行了探讨和研究。研究表明,HJC动态损伤本构模型服从塑性形变理论,但静水压力的影响不能忽略。HJC模型反映了混凝土材料横向效应导致的非力学行为的增强效应,但其大小与材料的失效方式和失效应变数值相关,不能简单地将混凝土材料的应变率效应解释为完全的横向效应。

混凝土动态本构模型综述

混凝土是使用最广泛的建筑材料之一,掌握其动态力学性能对研究混凝土结构在冲击荷载作用下的动态行为十分重要.回顾了近几十年来提出的混凝土动态本构模型,对其理论基础和适用范围做了系统的介绍.

几种常用混凝土动态损伤本构模型评述

描述了混凝土抗冲击数值模拟中常用的几种混凝土动态损伤本构模型,包括HJC、RHT、LLNL、Marlvar及TCK本构模型。在此基础上,从动力本构模型的极限面定义、损伤定义、状态方程、应变率强化效应及模型参数标定方面综合分析和评述了各本构模型。对于混凝土抗冲击问题的数值模拟及混凝土动态损伤本构研究具有参考意义。

冲击荷载作用下混凝土动态本构模型的研究

基于混凝土冲击荷载作用下的实验研究,以修正Ottosen四参数破坏准则为屈服法则,引入损伤,构造了一个动态本构模型用于描述混凝土材料的冲击特性。宏观上,假设混凝土材料是一个均匀连续体;而从细观角度来看,混凝土材料内部存在大量随机分布的微裂纹损伤。假设微裂纹均匀分布,且符合理想微裂纹体系统条件,定义含裂纹材料中单位体积内微裂纹所占的比例来表征微裂纹损伤所引起的混凝土材料宏观力学性能的劣化,并给出了损伤的演化方程。通过模型计算模拟结果与实验结果比较发现,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冲击荷载下的动态特性。

混凝土四参数动态本构模型

在混凝土动力抗拉抗压试验的基础上,根据一致黏塑性本构模型的概念,考虑静水压力和应变率的影响,推导了改进的一致率型HTC四参数模型,并与试验的应力应变曲线进行比较,结果表明模型能够较好地反应混凝土的动力特性;最后,用此模型对混凝土简支梁进行非线性动力反应分析,并与线弹性模型和率无关HTC四参数模型进行比较,探讨应变率对其动力特性的影响.结果表明考虑应变率的影响后,梁的位移、应力大小都发生了较大的变化.

动态循环荷载下大坝混凝土拉压转换损伤本构模型构建及影响研究

目前混凝土坝抗震安全评价中,对于动态循环荷载下大坝混凝土损伤本构模型中从受拉状态向受压状态转变过程(拉压转换)中的混凝土弹性模量变化,一般都基于商用软件ABAQUS的“单边效应”假设,认为混凝土弹性模量立即恢复为初始弹性模量。上述假设的合理性缺乏试验验证,直接影响混凝土坝抗震安全评价的可靠性。通过对全级配大坝混凝土拉压转换全过程试验成果的观察分析,发现混凝土从受拉状态进入受压状态后弹性模量并非立即恢复为初始弹性模量,而是由损伤后弹性模量连续渐进恢复至初始弹性模量,期间原有的受拉残余应变在压应力作用下迅速减小到较小数值,因此ABAQUS的“单边效应”假设并不符合实际情况。本文以全级配大坝混凝土拉压转换全过程试验成果为基础,提出受拉损伤发生后,拉压转换时受压应力应变关系采用双折线模型的思路,据此推导了相应的应力-应变关系解析表达式,构建了更接近混凝土拉压转换时真实状况的本构关系数值模型。通过实际工程的计算分析,发现常用的受压弹性模量立即恢复为初始弹性模量的损伤本构模型过高估计了坝体刚度,可能带来偏于不安全的评价结果。

混凝土正交各向异性动态损伤本构模型研究

为建立混凝土的正交各向异性动态损伤本构,首先采用动力放大系数的形式考虑材料的应变率效应,然后基于Sidoroff能量等价原理,建立动态条件下单元体的损伤刚度矩阵。同时在损伤演化模型中,采用Mazars损伤模型描述主轴方向的损伤变量。另外采用适用于正交各向异性的Hoffman屈服破坏准则,并考虑损伤及动力放大系数对强度的修正。以建筑结构受爆破震动荷载作用的实验资料,对本模型进行验证。

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.

高温作用后混凝土损伤动态本构模型研究

为解决高温对混凝土损伤问题,基于混凝土非线性粘弹性本构模型理论及损伤力学有关理论,建立了包含材料参数、动态模量等9个参数的混凝土损伤型动态本构模型,考虑到高温对混凝土动态力学性能影响显著,将高温损伤内化到对本构模型元件材料参数的影响,并根据实验所得数据,拟合得到模型在各温度下的材料参数值;将模型预测应力-应变曲线与实验所得应力应变曲线比较,结果表明:两者的峰值应力误差在5%以内;峰值应变误差在9%以内;弹性模量误差在7%以内,曲线总体拟合相似度在0.93以上,该模型能较好模拟经受高温作用后的混凝土冲击力学特性.

钢纤维混凝土动态本构模型及其有限元方法

利用改进的BP神经网络,以钢纤维混凝土的分离式霍普金森压杆试验数据为训练样本,建立了钢纤维混凝土的隐式动态本构模型。以显式动态有限元软件ABAQUS/Explicit为开发平台,采用FORTRAN语言编写了材料用户子程序VUMAT,将神经网络表达的材料动态本构模型嵌入到有限元计算中,实现了冲击荷载下钢纤维混凝土结构响应的数值模拟。算例显示,建立的本构模型和相应的有限元方法是有效的。

几种计算模型和力学性能对混凝土本构关系的影响

在混凝土本构关系的研究中,力学性能与计算模型是对混凝土本构关系的研究有着重要的影响,随着在对混凝土本构关系的深入研究,其力学性能主要包括弹性力学、损伤力学和断裂力学,而对计算模型的研究主要包括了Drucker-Prager模型、Cauchy模型、han-chen模型。

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Na_2SO_4溶液中浸泡腐蚀60d后,利用?100mm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Na_2SO_4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。

几种计算模型在混凝土本构关系研究中的应用

以混凝土本构关系作为研究对象,介绍了几种合理的计算分析模型,主要包括以Ottosen和Hsieh-Ting-Chen为代表的塑性分析模型及以朱—王—唐模型为代表的线弹性本构模型,为更好地研究混凝土本构关系提供了指导。

温度修正的混凝土动态本构模型研究

高温处理后的混凝土通过霍普金森压杆试验,得到不同温度和应变率下的应力-应变曲线。结合损伤演变规律,对ZWT黏弹性本构模型进行温度修正,提出一个新的温度修正的混凝土材料的动态本构模型,并有实测曲线拟合除了温度相关的模型参数表达式。分析结果表明:提出的计算模型曲线与试验实测曲线吻合度较高,所构建模型能够较为合理地描述混凝土受高温作用后的动态力学性质。

基于混凝土弹塑性损伤本构模型的盾构管片受力分析

在混凝土弹塑性损伤本构模型的基础上,考虑盾构管片拼装块与连接螺栓的非连续性和拼装块之间的接触关系,建立三维非连续接触计算模型。以苏州某地铁盾构隧道工程为例,对盾构管片的受力状况进行模拟计算,并与惯用法模型和修正惯用法模型的计算结果进行对比分析。结果表明:盾构管片内拱顶K拼装块部分区域的损伤因子超过了损伤临界值,这些部位将产生明显可见的裂缝;盾构管片拱顶与拱底内侧的受拉区域均产生了塑性变形,拱顶K拼装块的塑性区深度达到截面宽度的55%;盾构管片最大内力组合在两侧拱腰管片的接头处;三维非连续接触计算模型可以更好地反应管片接头对内力的影响和管片混凝土材料的受力及变形特性;模型中盾构管片接头处接触单元的设置消除了其他模型中接头刚度差异对计算结果的影响,对盾构管片抗压刚度及抗弯刚度均会产生影响。

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。

GA混凝土高温粘弹变形的非线性本构模型

采用改进的Burgers模型推导出GA混凝土高温变形性能的粘弹性本构模型,并通过动态贯入度试验(DPT)回归改进的Burgers模型参数及其验证模型的适用性和可靠性。研究结果表明,该模型从本质上揭示模型参数和试验参数对GA高温变形的影响规律,可以有效地预测GA高温条件下永久变形的变化规律;采用DPT能较准确地反映GA混凝土在车辆荷载作用下的实际受力状况,较现有的评价方法有实质性改进;通过在50℃和60℃条件下的DPT试验可知,GA混凝土的高温变形性能对加载时间、温度较敏感,随着荷载作用时间延长和外界环境温度的升高,其变形速率和永久变形量也随着增大。

冲击载荷下玄武岩纤维增强混凝土的动态本构关系

为了研究玄武岩纤维增强混凝土的动态本构关系,利用Ф100mm分离式霍普金森压杆装置,对玄武岩纤维增强混凝土进行冲击压缩试验,得到了动态应力-应变曲线,对试验数据进行了分析,根据试验结果,通过叠加应变率强化效应和损伤软化效应,对混凝土静态Ottosen非线性弹性本构模型进行修正,建立了玄武岩纤维增强混凝土损伤型的动态本构模型,确定参数并将理论模型计算结果与试验结果进行了对比。研究表明,玄武岩纤维增强混凝土的动态性能存在明显的应变率强化效应,动态强度增长因子和峰值应变与应变率对数之间存在近似函数关系;建立模型的方法可行,理论模型计算结果与试验结果吻合较好,建立的本构模型可用来描述玄武岩纤维混凝土的动态力学行为,并能为玄武岩纤维增强混凝土的进一步研究和工程应用提供参考依据。

动态载荷下的混凝土本构关系及有限元实现

建立了应用于冲击和地震荷载下的应变率和应变历史相关的混凝土动态本构模型。该模型是建立在Perzyma的一般粘塑性理论和Bicanic的塑性间断面运动规律的基础上,应用在动态加载条件下混凝土的塑性屈服面和极限面的变化规律来刻画材料的粘塑性响应。文中给出了动态粘塑性本构关系的详细阐述和有限元的实现方法。对于材料的不同拉压受力状态,本文使用两种不同的屈服准则—Druck-Prager准则和Mohr-Conlumb准则来描述材料进入屈服状态的力学性质,最后给出混凝土梁在三角载荷下的非线性有限元算例。

基于损伤的PHC桩单轴受拉动态本构模型研究

通过引入应变率强化因子、损伤弱化因子和预应力强化因子,并分析它们对预应力混凝土强度的影响,建立了一个单轴受拉动态本构模型用于描述PHC桩在冲击载荷作用下的冲击特性.对比了试验结果与该模型的数值模拟结果,结果表明:模型预示结果在变形趋势上符合很好,在数值精度上与试验结果符合良好.本成果可为振动沉桩过程中控制振动锤参数提供依据,能有效防止因拉应力过大而导致PHC桩被拉断的事故.