聚丙烯纤维再生混凝土损伤本构模型的研究

基于Weibull统计分布理论和Lemaitre等效应变假定原理,推导出聚丙烯纤维再生混凝土单轴受压损伤本构模型,对聚丙烯纤维再生混凝土进行单轴受压试验,根据试验数据,确定了该模型参数,通过试验曲线和模型曲线的对比分析发现两者拟合较好。基于考虑中间主应力、拉压性能影响的适用于任何材料的统一强度理论,推导出聚丙烯纤维再生混凝土的双剪损伤本构模型,建立了纤维混凝土损伤本构模型从单轴到双轴的转化方法。     

混凝土拉伸损伤演变的细观力学研究

对二维平面应力问题,根据能量耗散等价假设,即当产生微裂纹所需能量等于形成损伤所需的能量时,细观损伤状态等价于宏观损伤状态,建立了单轴拉伸与双轴拉伸情况下混凝土宏观损伤变量与细观损伤参数(微裂纹密度)的关系。微裂纹扩展准则采用复合型准则。计算结果表明,混凝土双轴受拉发生破坏时的损伤值随横向拉应力的增大而增大。本文求得的有效弹性模量与细观力学的SCM结果吻合较好,与忽略相互作用的Taylor方法结果也基本吻合。     

基于能量的弹塑性损伤实用本构模型

建立一个实用的弹塑性损伤本构模型。在有效应力空间采用经验公式计算塑性变形,能将模型塑性部分与损伤部分解耦,降低模型的数值处理复杂性,同时大大简化模型塑性应变的计算。结合不可逆热力学理论,基于损伤能量释放率建立损伤准则,损伤能量释放率由修正后的弹性Helmholtz自由能导出,模型中将弹性Helmholtz自由能分解为应力球量部分和应力偏量部分,将其应力球量部分产生的损伤取为零,同时根据应力状态引入折减系数对其应力偏量部分进行修正,使得模型能较为准确的模拟混凝土材料在双轴加载下的本构行为。将应力张量谱分解为正、负两部分以分别定义材料受拉、受压损伤演化,并采用受拉损伤变量、受压损伤变量分别模拟混凝土材料在拉、压加载下的本构特性。引入一个加权损伤变量使得模型能较准确的反映混凝土材料的“拉-压软化效应”。最后该文给出初步试验验证,证明了该文模型的有效性。     

考虑初始缺陷影响的混凝土梁动态弯拉破坏模式分析

考虑到混凝土细观非均质性的影响,从细观角度出发,认为混凝土是由骨料、界面过渡区、砂浆基质及初始缺陷组成的四相复合材料,建立了混凝土简支梁的二维随机骨料模型。采用耦合材料应变率效应的塑性损伤本构模型来描述砂浆基质及界面的力学性能;假定骨料不产生损伤破坏,设定为弹性。对无缺陷、2%和5%孔隙率的混凝土梁进行弯拉破坏数值研究,探讨初始缺陷及加载速率对混凝土梁弯拉破坏模式、弯拉强度及宏观应 力-应变关系的影响。数值结果表明:混凝土弯拉破坏模式及宏观力学性能具有明显的加载速率相关性;初始缺陷的存在对混凝土破坏模式及宏观力学性能具有很大的影响。     

钢-混凝土组合简支梁滞回性能非线性有限元分析

为实现钢-混凝土组合简支梁滞回性能三维非线性有限元分析,该文提出混凝土在单轴拉、压应力下的损伤变量计算方法,给定了混凝土的卸载规则,完善并提出混凝土应力-应变滞回本构关系和钢材循环本构关系,应用ABAQUS有限元软件建立混凝土棱柱体试件、钢材试件和钢-混凝土组合简支梁有限元三维非线性有限元模型,对混凝土棱柱体试件在单轴受压和受拉反复荷载下的试验结果进行分析,对钢材试件在单轴拉压循环荷载下的试验结果进行分析,对钢-混凝土组合简支梁在循环荷载下的荷载-挠度滞回关系、梁端荷载-滑移滞回关系以及栓钉的荷载-侧向变形滞回关系曲线等试验结果进行分析,计算结果与试验结果符合较好。     

损伤力学理论在混凝土结构中的应用技术进展

总结了最近几年国内外基于损伤力学理论的混凝土结构性能研究。详细概述了静力损伤本构关系、动力损伤本构关系、弹塑性损伤本构关系、混凝土随机损伤本构关系、徐变损伤模型、冻融作用下的损伤模型和腐蚀-化学作用下的损伤模型。总结了该研究领域存在的一些问题,并对今后的研究方向提出了建议。     

基于统计损伤理论的硫酸盐侵蚀混凝土本构模型研究

基于统计损伤理论及宏观试验现象,该文建立了考虑硫酸盐侵蚀影响的混凝土单轴、双轴压缩统计损伤本构模型。混凝土变形破坏被理解为细观断裂、屈服两种损伤模式的连续累积演化过程。硫酸盐侵蚀效应改变了混凝土微结构的组成成分和力学特征,进而改变了微裂纹萌生、扩展的形态以及损伤的累积演化过程,可通过改变断裂和屈服两种细观损伤机制演化过程的概率分布形态来模拟。分析结果表明:在硫酸盐侵蚀环境下,侵蚀程度的加深显著改变了混凝土细观损伤累积演化过程,最终导致混凝土宏观力学性能呈现先“强化”后“弱化”的现象。在此过程中,细观损伤演化过程呈现出明显地规律性,可由统计损伤模型中5个特征参数的变化规律表征。该文模型为复杂环境下侵蚀混凝土细观损伤过程预测和分析提供了新的方法和工具。     

一种新的混凝土各向异性弹塑性损伤本构模型及其数值实施

该文的目的是建立一种新的、相对简单的混凝土各向异性塑性损伤本构模型,以方便的模拟混凝土结构的破坏行为。为了更好地描述混凝土在拉、压荷载作用下的不同损伤机制,建立了拉、压不同的两种损伤演化方程,用于确定各向异性的拉、压损伤变量。另外,根据应变等效假设,假定有效构型和损伤构型的应变相等,该方法不仅大大简化了模型的推导过程,而且可方便的通过解耦算法进行有效应力和损伤及名义应力的计算,也即塑性部分计算可通过现有的隐式算法实现,损伤部分及名义应力的计算则可通过较为简便的显式算法实现,从而可大大提高计算效率。模型结果与试验结果的对比分析表明：该模型能较好地描述混凝土在三维应力状态下的非线性行为;对双边开口四点弯曲梁试件的模拟也表明：该模型能反应混凝土损伤各向异性的特点,计算结果相比ABAQUS软件自带的混凝土损伤塑性本构模型(CDP模型)更符合实际情况,计算效率也更高。     

列车动荷载长期作用下圆形隧道衬砌损伤分布特征及演化规律研究

为研究隧道衬砌车致损伤分布特征及演化规律,该文采用规范推荐的混凝土单轴拉压本构关系推导了复杂应力条件下增量损伤本构关系,并基于此本构模型实现了ANSYS标准计算流程的二次开发。通过与单轴拉压试验结果对比验证了计算的可靠性。建立了地铁圆形隧道-地层耦合动力有限元模型,基于改进的Miner累积损伤理论,研究了列车动荷载长期作用下衬砌结构的损伤分布、动力响应、损伤增量及累积损伤演化规律。结果表明:衬砌长期车致损伤关于隧道中心线对称,主要分布于仰拱结构,分布角约120°;列车荷载作用点下方衬砌结构中出现两个损伤集中区,其损伤幅值较其他区域大;随累积运行次数的增加,损伤集中区内车致动应力幅值减小约83%,动应变幅值增大约150%;损伤增量与累积损伤均随列车累积运行次数增加而增大,且呈非线性关系;采用改进的Miner累积损伤理论可提高预测隧道结构疲劳寿命的准确性。     

Koyna混凝土重力坝的塑性地震损伤响应分析

考虑了混凝土拉压异性损伤变量，根据相关流动法则推导了混凝土的损伤本构方程。通过有限元方法模拟坝体在地震激励下的非线性损伤演化过程，数值计算过程中考虑了库坝动力耦合及混凝土后继屈服的强化效应，采用四参数Ottosen屈服准则及相应的损伤型本构，算例验证了Koyna混凝土重力坝在竖向和横向实测地震激励下的非线性损伤响应特性。     

双轴受压状态下的高延性纤维增强水泥基复合材料本构模型

基于Darwin和Pecknold考虑混凝土双轴力学行为的方法,建立一个同时考虑双轴受压状态下非线性力学行为和抗压强度变化的高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)二维正交各向异性本构模型。在因双轴加载而产生的正交各向异性的2个方向上引入等效单轴应变,建立非线性应力-等效单轴应变关系以考虑ECC的双轴非线性行为,并采用一条双轴强度包络线确定2个方向上的抗压强度。推导模型的显式数值算法,编写包含该算法的用户自定义材料子程序UMAT,并嵌于有限元计算程序ABAQUS v6.14中。通过对两组不同配合比的ECC试件在不同应力比下的双轴受压加载试验进行数值分析验证本模型的有效性。数值计算得到的主压应力方向上的应力-应变曲线及预测的抗压强度与试验结果吻合较好,表明该文提出的本构模型能够有效地预测ECC在双轴受压状态下的非线性力学行为和破坏强度。     

Computational applications of a coupled plasticity-damage constitutive model for simulating plain concrete fracture

A coupled plasticity-damage model for plain concrete is presented in this paper. Based on continuum damage mechanics (CDM), an isotropic and anisotropic damage model coupled with a plasticity model is proposed in order to effectively predict and simulate plain concrete fracture. Two different damage evolution laws for both tension and compression are formulated for a more accurate prediction of the plain concrete behavior. In order to derive the constitutive equations and for the easiness in the numerical implementation, in the CDM framework the strain equivalence hypothesis is adopted such that the strain in the effective (undamaged) configuration is equivalent to the strain in the nominal (damaged) configuration. The proposed constitutive model has been shown to satisfy the thermodynamics requirements. Detailed numerical algorithms are developed for the finite element implementation of the proposed coupled plasticity-damage model. The numerical algorithm is coded using the user subroutine UMAT and then implemented in the commercial finite element analysis program Abaqus. Special emphasis is placed on identifying the plasticity and damage model material parameters from loading-unloading uniaxial test results. The overall performance of the proposed model is verified by comparing the model predictions to various experimental data, such as monotonic uniaxial tension and compression tests, monotonic biaxial compression test, loading-unloading uniaxial tensile and compressive tests, and mixed-mode fracture tests.     

Evaluation of directional mesh bias in concrete fracture simulations using continuum damage models

In the present comparative study, we investigate the influence of directional mesh bias on the results of failure simulations performed with isotropic and anisotropic damage models. Several fracture tests leading to curved crack trajectories are simulated on different meshes. The isotropic damage model with a realistic biaxial strength envelope for concrete is highly sensitive to the mesh orientation, even for fine meshes. The sensitivity is reduced if the definition of the damage-driving variable (equivalent strain) is based on the modified von Mises criterion, but the corresponding biaxial strength envelope is not realistic for concrete. The anisotropic damage models used in this study capture reasonably well arbitrary crack trajectories even if the biaxial strength envelope remains close to typical experimental data. Their superior performance can be at least partially attributed to their ability to capture dilatancy under shear, which is revealed by a comparative analysis of the behavior of individual models under shear with restricted or free volume expansion.     

钢纤维混凝土多轴损伤比强度准则EI北大核心CSCD

以损伤比强度理论为基础,建立了钢纤维混凝土真三轴损伤比强度准则,并根据钢纤维混凝土试验资料,推荐了钢纤维混凝土损伤比变量表达式中的6个经验参数。利用钢纤维混凝土在单轴、双轴和三轴受力状态下的应力-应变曲线试验结果验证了损伤比取值合理性,对比了单轴受拉、单轴受压和双轴等压等典型受力状态下钢纤维混凝土和普通混凝土损伤比变量取值的差异。通过与国内外共104组钢纤维体积率为0.5%~2.5%的钢纤维混凝土三轴强度试验资料的比较,表明六经验参数钢纤维混凝土损伤比强度准则的三维破坏包络面接近已有认识;通过与国内外强度准则比较,表明损伤比强度准则与钢纤维混凝土三轴试验数据有较高的吻合度。对于围压三轴受力状态,提出简化的钢纤维混凝土常规三轴强度准则,并与已有常规三轴强度准则进行比较分析。此外,对于材料处于二轴受力,推荐了简化的损伤比二轴强度准则中的经验参数取值。     

考虑过渡区界面影响的混凝土宏观力学性质研究

混凝土材料的宏观力学特性及破坏机理由其细观组分来决定,界面过渡区是影响混凝土断裂破坏路径及宏观力学特性的重要因素。认为界面过渡区是区别于远处砂浆基质的一层含较高孔隙率的近场砂浆材料,采用“两步等效法”得到了混凝土细观单元的等效本构关系模型。最后基于细观单元等效化方法分析了在单轴拉伸、单轴压缩及弯拉载荷条件下混凝土试件的破坏过程及宏观力学性质,探讨了界面过渡区对混凝土力学特性的影响,并与随机骨料模型分析结果进行了对比。结果表明:界面相的存在对混凝土的弹性模量、强度及残余强度等力学性质有很大影响,在对混凝土宏观力学特性及细观断裂破坏过程进行研究时不可忽略其影响。     

考虑材料组成特性的混凝土轴拉破坏过程细观数值模拟

为反映骨料、砂浆及其之间的界面过渡区的组合特点和材料性能,基于材料细观非均匀性和有限元方法的混凝土破坏过程细观数值模拟需进行复杂、细致的网格剖分,导致了繁重的前处理工作和可观的计算量。该文对混凝土材料细观单元材质组成的单一化假定进行改进,将内嵌界面过渡区材料的规则化单元视为一种广义复合材料单元,建立了复合型界面损伤模型。采用等效方法确定单元的复合弹性关系,通过有限元法计算单元的局部应力;用细观层次上弹性力学性能的弱化描述单元组成材料的损伤,混凝土材料的破坏过程通过单元各组分的损伤模拟。应用该复合型界面损伤模型研究了混凝土试件的单轴拉伸破坏过程,细观数值模拟结果符合混凝土试件的宏观破坏特征,表明该模型可作为分析混凝土材料破坏过程的一种有效途径。     

土坯砌体单轴受压本构模型研究

通过土体材料的土工试验及泥浆立方体、土坯和土坯砌体单轴抗压试验,分析了土体材料的工程性质和单轴受压下土坯砌体的应力-应变关系。建立了泥浆立方体、土坯和土坯砌体的弹性模量与其抗压强度之间的关系方程,提出了土坯砌体抗压强度的简化计算公式。基于Weibull分布的损伤统计强度理论,利用应力-应变曲线峰值点的特征,建立了损伤修正统计本构模型,并与试验数据进行了比较,验证了损伤修正统计本构模型。研究表明:土坯砌体损伤统计本构模型,在峰值应力前期,损伤修正统计本构模型与试验数据吻合很好;在峰值应力后期,由损伤修正统计本构模型计算的应力值比土坯砌体试验应力值偏小。研究结果可为土坯砌体墙的抗震性能研究提供理论参考。     

考虑双拉耦合的复合材料编织物各向异性超弹性本构模型

为了准确描述复合材料编织物的各向异性力学特性,首先,基于纤维增强复合材料连续介质力学理论提出了一种考虑纤维双拉耦合的复合材料编织物各向异性超弹性本构模型,该模型中单位体积的应变能被解耦为便于参数识别的纤维拉伸变形能、双拉耦合引起的挤压变形能和纤维间角度变化产生的剪切变形能;然后,给出了模型参数的确定方法,并通过拟合单轴拉伸、双轴拉伸和镜框剪切实验数据得到了本构模型参数;最后,利用该模型对双轴拉伸和镜框剪切实验进行了数值仿真,并将模拟结果与实验结果对比分析。结果表明:提出的本构模型适用于表征复合材料编织物在成型过程中由于大变形引起的非线性各向异性力学行为。所得结论表明提出的本构模型具有简单、实用的优点,且材料参数容易确定,可为复合材料编织物成型的数值模拟和工艺优化奠定理论基础。      

Modelling of damage accumulation and failure of structural members subjected to strong seismic actions

Following the total Lagrangian approach, an incremental formulation for three-dimensional Timoshenko beam element taking into account large displacements and rotations is developed. For the failure analysis of reinforced concrete structural members, subjected to extreme loads, a new elastoplastic damage constitutive model is proposed on the level of cross-sectional variables. The model is based on the concept of the yield surface and associated flow rule. The effects of softening and strength deterioration are accounted for by the introduction of damage variables. To assure the objectivity of the numerical simulation a non-local treatment of damage variables is implemented. Comparison to different experimental results on biaxial cyclic tests is performed. Numerical results demonstrate that the proposed model effectively reproduces softening, strength deterioration, coupling between different components of the generalized force vector and other nonlinear effects accompanying the inelastic structural response under three-dimensional seismic loading.