应变率对钢筋混凝土框架结构地震作用下灾变过程影响研究

开发了ABAQUS显式用户材料子程序VUMAT,该程序可以考虑材料应变率效应的影响。通过对钢筋混凝土柱的动态和静态加载试验进行模拟,验证了子程序的可靠性。通过对某四层钢筋混凝土框架结构进行增量动力时程分析,研究了材料的应变率效应对结构最大顶点位移、最大基底剪力、最大层间位移、结构的能力曲线、结构的抗倒塌能力和倒塌模式的影响。研究表明,考虑材料的应变率效应后,结构的最大顶点位移和最大层间位移大多数情况下会减小,结构最大层间位移的应变率效应更为明显;当地震波增强到使结构接近于发生倒塌时,结构的最大顶点位移和最大层间位移均明显减小;随着地震波强度的增强,应变率对结构响应的影响趋于明显;结构的抗倒塌能力有一定程度的提高,但连续性倒塌过程基本不变。     

ALE方法模拟爆炸载荷作用下球壳反直观行为

本文利用任意拉格朗日与欧拉（ALE）方法,模拟了球壳在爆炸载荷作用下的动力反直观行为,得到了球壳中点位移时程曲线以及最终变形模式等动力响应。在研究中,考虑了材料的应变率效应,并对球壳的矢高和厚度对其反直观行为的影响进行了参数分析。结果表明,只有炸药距球壳距离在特定范围内,球壳才能发生反直观行为;当炸药当量一定时,球壳发生反直观行为的爆心距区域段随球壳矢高增加而减少,矢跨比大于一定值后,将不会发生反直观行为     

钢纤维混凝土动态抗拉强度的实验研究

基于线弹性和一维应力波假定,采用Φ75mmSHPB对钢纤维体积率Vf分别为0、0.75%和1.50%的三种混凝土材料进行了一维杆层裂实验,考虑了应力波在混凝土材料内传播时的波形弥散效应和应力幅值衰减,通过计算应变片记录的应力信号确定了材料的动态抗拉强度。结果表明,钢纤维混凝土的动态抗拉强度受应变率和钢纤维体积率的影响,本文为测试脆性材料的动态抗拉强度提供了一种有效方法。基于微观扫描技术,对钢纤维增强机理进行了分析。     

混凝土柱单轴动态抗压特性的应变率效应研究

混凝土材料是典型的率敏感材料,不同动态应变率下混凝土柱的抗压性能有明显的变化。本文通过混凝土柱的轴心动态抗压试验,在10-5/s10-2/s应变率范围内研究了混凝土材料本构关系的应变率效应,系统研究了应变率效应对混凝土抗压强度、弹性模量、峰值应变、吸能能力以及破坏机理的影响,并讨论了试验机刚度、惯性效应对试验结果的影响。试验结果表明：随着应变率的增加,混凝土材料的抗压强度也随之增加,当应变率为10-4/s、10-3/s、10-2/s时混凝土的抗压强度相对准静态抗压强度（应变率为10-5/s）分别增加了7.45%、19.51%和29.23%,弹性模量相对于准静态弹性模量变化不大,峰值应变具有一定的离散性,但是基本趋势也是增加的,混凝土的吸能能力也随着应变率的增加而显著增加。另外,刚性元件的使用有效的改善了试件应变率的稳定性,惯性效应对本次试验结果的影响可以忽略     

高应变率加载下玻璃板碎片尺寸的理论模型

基于材料损伤理论和损伤断裂机理,分析了普通平板玻璃在高应变率下的损伤破碎规律。根据玻璃碎片破坏损伤应变能和断裂表面能之间的平衡关系,推导了不同应变率下预测玻璃碎片大小的计算公式。该模型能够直接、定量地给出玻璃板中由于裂缝间的贯通形成的平均碎片大小,同时能够求出玻璃碎片的数量。对于该模型,讨论了玻璃板尺寸及临界应变等因素对玻璃碎片大小的影响。     

基于塑性铰模型的三塔斜拉桥抗震能力时程分析

摘要：采用非线性塑性铰考虑结构构件的混凝土开裂、钢筋屈服和材料滞回效应,利用APDL语言编制二分法程序使计算机进行自动计算和减少计算量,从而建立通过不断增大地震时程作用来计算斜拉桥结构抗震能力的方法,并以该方法分析研究了一座在建的三塔结合梁斜拉桥的抗震能力和地震反应特性。研究结果表明：在抗震能力状态,三塔斜拉桥中塔底内力响应要远大于边塔,但由地震引起的塔顶位移却相差很小,所以提高中塔抗震能力可以较快地提高整体结构的抗震能力;有塑性铰模型要比无塑性铰模型具有更高的抗震能力;采用二分法循环计算程序,不仅可以降低人工试算的烦琐而且能大幅减少循环计算次数,使大型结构的抗震能力分析较为简便。     

考虑材料动态非线性影响的VLCC搁浅性能研究

对船舶搁浅相关冲击问题进行数值仿真计算时,合理可靠的材料输入是保证仿真结果准确性的基础。开展了船用低碳钢材料的准静态拉伸和高速拉伸试验,以试验结果为基础,通过相关计算及校准研究,考虑材料硬化、失效应变以及应变率敏感性,得到满足材料动态非线性要求的仿真材料输入方法及参数。在此基础上,利用非线性有限元软件ABAQUS对VLCC舱段结构搁浅触礁事故进行仿真计算,从损伤变形、搁浅载荷以及搁浅过程中的能量吸收情况等方面分析船体结构的搁浅性能。该研究成果可为大型结构冲击问题数值仿真中的材料非线性输入提供参考和依据。     

循环压缩和冲击下聚氨酯发泡塑料的能量吸收

基于聚氨酯发泡塑料的准静态压缩和落锤冲击试验,分析其在中低应变率下的力学性能和能量吸收性能,得到了该材料的应力-应变曲线和能量吸收图,研究了不同应变率和循环静动态试验对该材料缓冲性能的影响。随着初始应变率由2.56×10-3s-1(准静态)增加至4.01×101s-1、5.08×101s-1和5.68×101s-1,材料的应力和能量吸收明显增大,应变为0.4时动态应力分别比静态应力增加了54.34%、79.35%和114.49%,所吸收的能量分别比静态增加了18.98%、30.09%和65.74%。对同一试样先后进行五次循环准静态压缩或落锤冲击试验,与首次试验相比第二、三、四、五次试验应力和能量吸收明显下降,应变为0.4时静态应力分别下降了18.48%、32.97%、36.59%和39.49%,动态应力分别下降了20.81%、28.48%、34.75%和34.75%,准静态压缩能量吸收分别下降了24.54%、37.50%、40.74%和43.52%,落锤冲击能量吸收分别下降了15.30%、24.20%、30.25%和30.96%。中低应变率下,聚氨酯发泡塑料的应变率效应十分明显,循环准静态压缩和落锤冲击效应同样十分明显。循环试验达到一定次数后,材料缓冲性能基本保持不变,可用此数据作为缓冲包装设计的依据。研究结果对于聚氨酯发泡塑料的合理缓冲包装设计有指导意义。     

EPS混凝土的冲击力学行为及本构模型

采用大直径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置研究了多种EPS体积掺量的EPS混凝土在不同应变率下的力学行为。分析了平均应变率以及EPS体积掺量对EPS混凝土的冲击力学性能的影响。采用朱-王-唐(ZWT)模型,在试验研究的基础上,建立了EPS混凝土非线性粘弹性本构模型。结果表明：在高应变率条件下,EPS混凝土的动态抗压强度与极限应变随平均应变率的提高近似线性增长,呈现出显著的应变率相关性。随着EPS体积掺量的增加,混凝土的动态抗压强度和弹性模量降低,变形能力得到改善。本构模型提供的理论曲线与试验曲线比较接近,ZWT模型可以较为准确地描述EPS混凝土的高应变率力学行为。     

考虑累积损伤退化及应变率效应的钢筋混凝土框架结构倒塌分析

该文研究考虑累积损伤导致强度和刚度退化及应变率效应的钢筋混凝土框架结构倒塌过程,基于有限元软件ABAQUS平台,开发了相应的显式分析梁单元用户材料子程序,并对钢筋混凝土柱的动态和静态加载试验进行模拟,对比验证了所开发程序的准确性。采用增量动力时程分析法,研究了多维地震输入下某六层框架结构的倒塌过程,对结构的顶点位移、层间位移、基底剪力进行分析。研究结果表明:考虑应变率效应,构件的承载力有一定的提高,但同时退化效应更加显著,因此地震作用下的结构分析应予以考虑率效应及退化效应;通过定义构件损伤和层损伤,可以明显确定结构的薄弱层及破坏路径,模拟在地震作用下的结构倒塌过程,并揭示结构的倒塌机理,对抗倒塌分析提供一定参考。     

低应变率下混凝土动态拉伸破坏尺寸效应细观模拟

在混凝土静态破坏尺寸效应方面已取得了较完善的成果,而在动态破坏尺寸效应方面,包括其产生机制及对应的尺寸效应律的研究则非常匮乏。为探讨动态荷载作用下混凝土尺寸效应行为,从细观角度出发,结合混凝土细观结构特征,考虑动态加载下细观组分应变率效应的影响,建立了混凝土破坏行为研究的细观力学分析模型与方法。以双边缺口混凝土试件为例,对其在低应变率（10-5 s-1~1 s-1）下混凝土动态拉伸破坏行为及尺寸效应进行细观数值模拟,并分析了应变率效应对动态破坏尺寸效应的影响。最后,结合应变率效应对强度及尺寸效应的影响规律—“强度增强效应”与“尺寸效应削弱效应”,在静态破坏尺寸效应律的基础上,建立了混凝土拉伸强度的“静动态统一”尺寸效应理论公式,并验证了理论公式的准确性和合理性。     

Constitutive equations to predict high temperature flow stress in a Ti-modified austenitic stainless steel

The experimental stress–strain data from isothermal hot compression tests, in a wide range of temperatures (1123–1523 K) and strain rates (10⁻³–10² s⁻¹), were employed to develop constitutive equations in a Ti-modified austenitic stainless steel. The effects of temperature and strain rate on deformation behaviors were represented by Zener-Holloman parameter in an exponent type equation. The influence of strain was incorporated in the constitutive analysis by considering the effect of strain on material constants. The constitutive equation (considering the compensation of strain) could precisely predict the flow stress only at 0.1 and 1 s⁻¹ strain rates. A modified constitutive equation (incorporating both the strain and strain rate compensation), on the other hand, could predict the flow stress throughout the entire temperatures and strain rates range except at 1123 K in 10 and 100 s⁻¹. The breakdown of the constitutive equation at these processing conditions is possibly due to adiabatic temperature rise during high strain rate deformation.     

Large-Deformation Constitutive Theories for Structural Composites: Rate-Dependent Concepts and Effect of Microstructure

Abstract:  Polymer-based composite materials are widely used in applications subjected to a variety of loading types, including shock and impact loading in the range of hundreds of strain per second. The behaviour of composite laminates loaded at those rates is typically nonlinear and may involve rather large strains to failure. In the present study, the large-deformation characteristics and constitutive representations of structural composites were investigated as functions of strain rate and temperature. A plain-weave vinyl ester composite material was selected for the study. Tensile tests of off-axis coupon specimens were conducted over several orders of strain rates and limited change of temperatures. A three-parameter constitutive model was proposed to model the large-deformation stress–strain relationship. The constitutive model was then used to predict the material response at different strain rates. The model predictions were verified by a different set of tests. The basic concepts and methodologies involved in reducing such data to constitutive equations that can be used in commercial computational codes to enable structural analysis in the presence of large-strain progressive damage under dynamic loading is discussed.     

PP木纤维复合材料热粘弹性力学特性研究

通过对PP木纤维复合材料进行应变率为10-4～10-2s-1、温度为90、130、170℃下的单向应力条件下的力学性能试验,结果表明,PP木纤维复合材料的力学响应对温度和应变率都是敏感的,并且升高温度与降低应变率对PP木纤维复合材料的力学性能有等效的影响。利用Maxwell模型提出了该PP木纤维复合材料的一个非线性热粘弹性本构方程,拟合出了相应的粘弹性参数。利用该本构模型模拟了PP木纤维复合材料的热压缩实验,理论计算所得应力-应变曲线与实验结果吻合较好。     

Modeling nonlinear rate dependent behaviors of composite laminates

Abstract

This study aims to propose a simple explicit model for predicting the nonlinear rate dependent behaviors of composite laminates. Using one parameter plastic potential to describe the flow rule, the viscoplasticity model is expressed as a single master effective stress‐effective plastic strain curve in the form of a power law with a rate dependent amplitude. Based on the viscoplasticity model together with the laminated plate theory, the incremental form of the constitutive formulation is derived to model the nonlinear rate dependent behaviors of composite laminates. Symmetric glass/ epoxy and graphite/epoxy composite laminates were tested at three different strain rates and the experimental results were then compared with the model predictions. It was indicated that the proposed constitutive model is effective in characterizing the nonlinear rate dependent behaviors of composite laminates at strain levels up to 1%.     

考虑岩石应变率效应的DDA程序

针对原经典DDA程序在研究岩石动力学问题时不考虑岩石的应变率效应,在DDA程序中引入与岩石应变率相关的动态强度表达式,将块体间接触弹簧破坏准则发展为动态破坏准则,进而完善DDA程序对岩石动力学破坏问题的处理能力。用原DDA程序和改进DDA程序对动载作用下岩石单轴拉、压破坏实验进行模拟,两者的模拟结果对比分析表明:在不同的加载速率作用下,原DDA程序得到的失效应力和破坏形式基本没有变化,这与实验结果不相符。但是,在不同的加载速率作用下,改进的DDA程序得到破坏形式能与实验结果相符,且能体现动载作用下岩石动态强度随加载速率的提高而增大的强度特性。     

基于Sherwood–Frost模型构建聚乙烯泡沫拉伸本构

目的 研究聚乙烯泡沫的拉伸力学性能,并构建聚乙烯泡沫的拉伸本构模型。方法 利用万能材料试验机对不同密度的聚乙烯泡沫进行不同拉伸速率的单轴拉伸实验,得到聚乙烯泡沫的拉伸应力–应变曲线;在Sherwood–Frost唯象本构模型框架的基础上,构建将密度和应变耦合的密度项,以及将应变率、应变和密度耦合的应变率项的拉伸本构模型。结果 聚乙烯泡沫在断裂前的拉伸力学特性为非线性弹性,表现出明显的应变率强化效应,现有的密度项和应变率项与实验数据的拟合精度较低,最大平均误差分别可达11.76%、7.90%。新构建的密度项和应变率项与实验数据拟合精度较好,最大平均误差分别为1.17%、1.92%。结论 新构建的拉伸本构模型能够更精确地描述聚乙烯泡沫单轴拉伸的应力应变关系,为聚乙烯泡沫的综合力学性能的进一步研究提供参考。     

应变率突增对混凝土动态拉伸破坏影响的细观模拟

实际工程中混凝土结构往往遭遇多次动态荷载作用或在承受一定初始损伤荷载基础上再承受不同应变率的动态荷载。建立了哑铃型混凝土三维细观数值模型,模拟不同名义应变率单独作用下混凝土材料的单轴动态拉伸破坏行为,又分别对混凝土单轴拉伸应力应变曲线上升段和软化段的应变率突增行为开展了细观模拟,初步分析了应变率突增行为对动态拉伸破坏强度特性及宏观应力应变曲线的影响。研究结果表明:在低应变率下混凝土拉伸应变率硬化效应相对较弱,而在高应变率下应变率硬化效应显著增强;在加载上升段应变率突增后加载获得的动态拉伸强度和峰值应变均得到了明显提高;在软化段应变率突增时,混凝土试件的“软化行为”转变为“硬化行为”,宏观应力-应变曲线会出现二次峰值;以初始应变率与突变应变率组合加载得到的动态拉伸强度均低于以突变应变率单独加载得到的拉伸强度,并且强度下降的百分比均随着应变率的增大而增大。     

High strain rate nanoindentation testing: Recent advancements,challenges and opportunities

Recent advancements in electronics have renewed the interest in high strain rate nanoindentation testing, resulting in the development of new high strain rate nanoindentation test equipment and test methodologies. In this work, the current state-of-the-art in high strain rate nanoindentation testing is critically reviewed, with focus on three key aspects - the testing equipment's dynamic mechanical and electronic response, test methodology, and post-processing of raw data to obtain hardness and strain rate. The challenges in instrument hardware design and post-test data analysis are discussed, along with optimal strain rate window for accurate high strain rate measurements. Specific focus will be on instrumented high strain rate testing using self-similar indenters at strain rates in excess of 100 s^?1, wherein load and depth of penetration into the sample are both measured or applied.