基于盖帽模型的混凝土动态球型空腔膨胀模型和侵彻阻力分析

为了获得弹丸高速侵彻混凝土介质的阻力方程,提出了一种基于混凝土盖帽模型的球形动态空腔膨胀模型。利用一般形式的状态方程和屈服准则描述混凝土材料的动态力学特性,获得了通用混凝土球形空腔膨胀模型的动态响应表达式。通过引入Dracker-Prager Cap屈服模型,在新的空腔膨胀模型中考虑了混凝土高压下的屈服软化特性。计算结果表明:采用带剪切饱和的Mohr-Coulomb屈服准则与Tresca屈服准则推导出的阻力方程在高速阶段与盖帽模型差别较大。实验结果证明:基于盖帽模型的球形空腔膨胀模型因考虑混凝土高压屈服软化特性与实验结果具有更好的一致性。

混凝土弹塑性损伤帽盖模型参数确定研究

基于连续损伤力学和塑性力学理论形成的弹塑性损伤帽盖模型是一个高级混凝土本构关系模型,但模型涉及的参数过多却给运用造成了不便。对模型参数进行详细解释基础上,采用已有的混凝土材料试验数据给出了其子午线强度参数、帽盖参数、脆性损伤和延性损伤参数取值,大大方便了工程运用。最后以单轴拉伸和单轴压缩为例数值演示了模型基本力学特性。

广义帽盖模型和数值模拟

帽盖模型是描述地质孔隙介质弹塑性破坏特征的重要工具之一。推广了古典的帽盖模型,用以描述大孔隙率地质材料的多种破坏机理,并将建立的广义帽盖模型应用于贮油砂岩的试验数值模拟之中,结果表明:该模型能较好地模拟注水采油等引起砂岩地层的附加沉降,描述油饱和与水饱和对砂岩地层的影响,并能很好地表征大孔隙率砂岩的几种破坏机理。

帽盖塑性模型参数的简易确定法

近年来在岩土工程中提出了不少的土的本构模型。其中帽盖塑性模型在岩土工程有限元分析中应用最广。从理论上讲、帽盖模型特别适用于土,因为它可以考虑应力历史、应力路径、剪胀以及中主应力。但是,现在许多岩土工程人员尚不熟悉确定该模型材料参数的过程。本文提出一个简单可靠的方法,它将帽盖模型的参数与常用的土工试验资料联系起来。

帽盖屈服模型参数确定的新方法

本文根据单轴和三轴压缩试验资料,提出了确定帽盖屈服模型的模型参数的新方法,计算方便,有较好的实用性。

DP盖帽混凝土本构模型二次开发及边坡加固工程应用

基于有限元计算软件的二次开发技术,提出一种新型的DP盖帽混凝土本构模型,并结合某边坡置换洞加固工程实例,建立其边坡潜在滑块三维有限元模型,分别采用DP模型与DP盖帽模型分析置换洞的弹塑性破坏程度,对比分析评价其加固效应。研究发现:新开发的DP盖帽模型可成功应用于软件计算中;采用DP模型计算所得安全系数约1.45,采用DP盖帽模型计算所得安全系数约1.41,说明在置换洞加固后存在部分双轴压坏和少量三轴压坏情况,且证明DP盖帽模型能够比DP模型更为精准地考虑混凝土破坏情况,可以为类似工程提供参考依据。

混凝土帽盖模型参数标定及桥梁冲击损伤模拟应用

冲击荷载作用下混凝土响应与应力状态、应变率密切相关,数值分析存在本构模型理论复杂、参数繁多,工程应用困难等问题。基于弹塑性损伤帽盖模型,针对拉伸、压缩、剪切应力状态下混凝土的损伤特征,阐明了损伤参数取值与单元尺寸的依赖关系,提出了混凝土本构模型损伤参数及率效应参数的确定方法。然后,针对冲击作用下RC构件的弯曲与剪切损伤破坏行为,基于构件冲击试验分别从损伤参数的单元尺寸依赖性、剪胀损伤模拟必要性2个方面对混凝土弹塑性损伤帽盖模型参数取值的可靠性进行了验证,并对2种常用弹塑性损伤帽盖模型进行了对比。最后,基于某大桥船撞损伤破坏事故案例,进一步对大桥的船撞破坏过程进行了模拟验证。结果表明:采用所提出损伤参数标定方法可以很好地描述冲击作用下混凝土构件及结构在不同受力状态下的损伤演化过程及动态响应,解决了弹塑性损伤帽盖模型参数过多、取值困难而不便应用问题,可为混凝土桥梁结构冲击数值分析提供参考。

常见动态混凝土材料模型基本力学特征对比分析

材料本构模型的选择和使用,一直是制约混凝土构件动态损伤模拟技术发展的重要因素之一。基于通用有限元软件LS-DYNA,对其中2种常用的混凝土材料模型(混凝土损伤模型和混凝土连续面盖帽模型)的基本力学行为进行了对比分析。研究结果表明,混凝土损伤模型和连续面盖帽模型在基本应力应变关系、网格敏感性和应变率效应等方面均存在明显的差异。因此,采用这些材料模型进行有限元分析时,必须经过严格的试验验证,特别是在模型校正和后续参数分析时,应采用相同或相近的网格尺寸,以消除网格敏感性的影响。

Boom黏土热-力耦合弹塑性损伤模型研究

黏土的热-力耦合本构模型研究在许多工程领域,尤其是核废料地下处置方面有着十分重要的工程意义。根据Boom黏土的在不同温度下的三轴与固结试验的结果,综合考虑了温度对黏土的强度与弹性模量的影响,在Drucker-Prager(简称D-P)帽盖模型的基础上,引入了硬化方程和热损伤、力学损伤的演化方程,建立了适用于黏土的热-力耦合弹塑性损伤本构模型。将模型在ABAQUS中进行了二次开发,根据试验结果反演得到了Boom黏土的模型参数。利用所建立的本构模型,对比利时HADES试验室中的ATLAS III现场试验进行了数值仿真,计算结果表明,模型的计算结果与现场实测的结果能较好地吻合,证明了模型的合理性。

黄土弹塑性模型的试验研究

目前在黄土地基计算中,能较好地反映土在达到破坏之前就产生塑性剪切变形和塑性体积变形的本构模型较少,分析表明,帽盖模型能反映这一重要特征。文章根据三轴的均压固结试验和CD试验资料,建立了黄土的弹塑性帽盖模型,模型的帽盖屈服曲线为椭圆,硬化参数为塑性体应变,破坏准则采用广义的密赛斯准则,给出了模型的所有计算参数,并分析了黄土的弹塑性特征,为黄土地基的弹塑性分析提供参考。

冻融循环下考虑塑性损伤演化的饱和岩石本构模型

针对冻融循环下饱和岩石,提出冻融损伤与岩石基质受载塑性损伤耦合的损伤变量计算方法。之后基于修正Drucker-Prager帽盖屈服准则,推导出考虑岩石基质塑性损伤演化的本构模型,而后考虑冻融对岩石力学性能的劣化作用,建立了冻融循环下考虑塑性损伤演化的饱和岩石本构模型。最后采用冻融循环下花岗岩单轴压缩实验结果对所提模型进行了验证。结果表明:(1)冻融循环会造成岩石的初始损伤,且初始损伤随冻融循环次数的增大而增大;(2)岩石基质受载损伤与冻融损伤两者耦合,会增大试件的损伤程度,进而加速岩石力学参数的劣化;(3)模型预测岩石单轴抗压强度随冻融循环次数的增大而降低,理论值与实验值吻合良好,证明了该模型的有效性。

基于帽盖模型的强夯地基应力–应变特征与有效加固范围分析

为了揭示强夯过程中土体应力–应变特征和加固范围发展规律,基于帽盖模型建立二维有限元动力分析模型,通过子程序二次开发实现土体模量等参数随夯击次数的变化。基于该数值模型,首先获得强夯过程中主应力–偏应力(p-q)平面内土体的应力路径和竖向与水平向的应力–应变关系,结果表明土体帽盖面随着强夯压密而逐步扩大,但不同区域土体的加固过程因其应力–应变关系的不同而又有所差异:夯锤正下方土体的加固以竖向压缩变形为主,竖向应力在加固中起主导作用,但浅层土体因侧向惯性导致侧向挤密明显滞后于竖向压密,而较深处的土体侧向惯性作用不再明显,表现为三向压密同时发生;夯锤以外的土体以侧向挤密为主,水平向应力起主要作用。随后,采用偏应力峰值点与前一击帽盖面的相对位置定量表征强夯加固效果,峰值点位于前一击帽盖面之上时,土体屈服硬化;反之,土体得不到压密。最后,对比发现以90%压实度确定的有效加固范围保守于以5%相对密度增量确定的结果,同时提出砂土有效加固范围的计算公式,对类似工程实践提供一定的参考。

钢筋混凝土梁冲击试验数值模拟研究

采用弹塑性损伤帽盖模型对筋混凝土梁冲击试验进行了数值模拟,数值模拟得到的碰撞力、梁体跨中挠度以及梁体破坏状况与实验情况吻合较好。在此基础上讨论了混凝土材料应变软化段、描述塑性体积的帽盖面、强度准则子午线形状、偏平面形状以及钢筋混凝土结构建模方式对冲击数值模拟的影响。

钢筋混凝土梁桥船舶撞击连续倒塌数值模拟

详细介绍了钢筋混凝土桥梁船撞倒塌模拟涉及的材料模型和单元失效指标等问题,建立某连续梁上部、下部结构、支座和船舶结构精细有限元模型,将弹塑性损伤帽盖模型用于混凝土,弹塑性随动强化模型用于钢筋,对船舶撞击钢筋混凝土连续梁引起的结构连续倒塌过程进行了数值模拟,揭示了连续梁桥结构的船撞倒塌机理。

泥岩各向异性热-水-力耦合特性——基于ATLAS Ⅲ现场加热试验

比利时放射性核废料地质备选场址Boom clay是一种典型的横观各向同性材料,在Drucker-Prager帽盖模型的基础上,构建了适用于Boom clay的横观各向同性特点的热-水-力耦合弹塑性本构模型,该模型可反映温度对其强度、弹性模量、渗透性等的影响,并在ABAQUS中进行了二次开发。为验证所建立模型的合理性,结合比利时HADES地下实验室ATLAS Ⅲ现场加热试验结果,应用所提出的模型对加热过程中围岩的温度和孔隙水压力的变化规律进行了数值仿真分析。结果表明:所建立的模型能够正确地描述现场加热试验过程中围岩温度场和孔压场所呈现出的各向异性特征,主要表现为热源水平面内测点的孔压在加热功率升高时先略为下降后才升高,在加热功率下降时先略为升高后才下降,而竖直面内测点的孔压在加热功率升高时立即升高,在加热功率下降时立即下降。研究成果表明,考虑各向异性的THM耦合分析能更好地反映加热过程中泥岩温度场和孔压场的实际分布情况,研究结果对类似工程或现场试验的设计、安全运行提供重要的决策依据。

非均质岩体中一维应力波演化过程分析

地下球形药包爆轰后将产生很强的地震波,其传播受到多种因素的影响。把岩石介质的弹塑性帽盖模型耦合到有限差分法程序中,对一维爆轰波在非均质岩石体中的传播、演化机理进行了数值模拟与分析;着重探讨了一维应力波从“硬”岩石层进入“软”岩石层、从“软”岩石层进入“硬”岩石层时,波在形状和强度等方面的变化规律;同时探讨了岩石介质中存在的“软弱夹层”对一维应力波传播的影响。

钢筋混凝土路面抗爆性能研究

钢筋混凝土路面在爆炸荷载作用下会发生开裂和沉陷。为了研究路面的损坏情况,利用有限元分析软件LS-DYNA对路面上方爆炸冲击波造成的路面破坏程度和破坏模式进行了模拟。首先,通过对混凝土的光滑面帽盖材料模型在单轴和三轴应力状态下进行模拟以验证材料模型的力学性能,并数值计算了爆炸荷载下混凝土板的响应情况。数值模拟结果显示连续面帽盖模型能够很好地模拟出混凝土的力学性能,数值模拟得到混凝土路面的破坏模式能够反映出实验结果。

弹体高速侵彻厚钢筋混凝土靶的数值模拟

针对厚钢筋混凝土靶在弹体高速侵彻时的毁伤特性,基于混凝土连续帽盖模型(concrete continuous cap model,CSCM)和共节点耦合建模方法对弹体高速侵彻厚钢筋混凝土靶的毁伤行为进行数值模拟,分析钢筋混凝土靶的损伤分布特性、钢筋结构对混凝土的约束作用。结果表明:高速侵彻时,延性损伤体现在混凝土内部,脆性损伤更多体现在混凝土外部表层,钢筋网能较大程度地约束混凝土延性损伤的扩展;增加竖筋的配置,可预防厚钢筋混凝土靶沿钢筋层产生层断脱离破坏,从而提高钢筋混凝土的抗弹性能;钢筋混凝土迎弹面的崩落面积随侵彻速度增加而增大,首层钢筋越接近表面,约束效果越好。可见,混凝土连续帽盖模型和共节点耦合建模方法能较好地模拟厚钢筋混凝土靶在弹体高速侵彻作用下的毁伤特性。

原状挤密黄土的弹塑性特征

根据试验资料,采用广义的Misers破坏准则,建立了原状、挤密黄土的弹塑性帽盖模型,并分析它们的弹塑性特征,可以很好地反映黄土在达到破坏之前产生的塑性剪应变与塑性体应变这一重要特征,对黄土用塑性体应变pεV作为硬化参数的帽盖模型来描述其本构关系是合理的。所得成果可为黄土地基弹塑性分析提供参考。