基于应变空间的碾压混凝土各向异性损伤本构模型

根据碾压混凝土材料的力学特性和损伤拉压显著不同的特点,分别在拉应变和压应变空间建立了碾压混凝土的本构关系和损伤演化方程。在拉应变空间,碾压混凝土的变形特性表现为脆弹性,考虑弹性与损伤耦合,应用正交各向异性损伤理论描述碾压混凝土的刚度退化和应变软化;在压应变空间,考虑弹塑性与损伤耦合,应用内时理论来描述碾压混凝土的弹塑性特性,正交各向异性损伤理论来描述微裂缝扩展引起的刚度退化和应变软化,内时理论没有屈服面,使模型的参数和方程大大减少,从而简化了非线性计算过程。计算结果表明,该模型能够较好地描述碾压混凝土在单轴和多轴加载下的性质。     

受侧向约束混凝土的内时损伤本构模型

受侧向约束混凝土结构由于其核心混凝土处于三向受压应力状态,其强度和变形能力有了很大的提高,因此在土木工程得到了广泛的应用。为了更好的描述这一结构形式的强度和变形特征,该文结合Valanis所提出的内时理论和Mazars的损伤理论,建立了一种全新的适用于侧向约束混凝土结构分析的内时损伤本构模型。该模型考虑弹塑性与损伤的耦合,用内时理论来描述混凝土的弹塑性特性,用各向同性损伤理论描述混凝土微裂缝扩展引起的刚度退化,通过与试验结果以及与其他模型的比较证实了模型的正确性和必要性。最后将该本构模型用于对常见的约束混凝土结构,如钢管混凝土和CFRP约束混凝土结构的应力-应变全过程分析中。     

RPC200塑性与各向异性损伤耦合本构建模研究

针对活性粉末混凝土 (RPC200:Reactive Powder Concrete 200MPa)的非线性行为,将连续损伤力学和塑性力学结合起来,建立了RPC200的弹塑性各向异性损伤耦合本构。在有效应力空间内,采用非关联流动法则和非均匀等向强化法则建立了RPC200的塑性本构。基于损伤能释放率建立了损伤准则,并由正交法则给出损伤演化法则,同时采用两个不同的损伤硬化法则来描述拉、压性能不同的损伤硬化。证明了该文所建模型与热动力学基本原理的相容性。最后,给出了RPC弹塑性各向异性损伤耦合本构模型数值计算流程,并以简单例证证明了所建模型的预测能力。     

基于黏塑性理论的碾压混凝土动态剪切本构模型

由于碾压混凝土大坝是逐层碾压而成,坝体层面处的静动抗剪强度均低于其本体强度,在地震、振动或冲击作用下,坝体层面(包括坝基界面)有可能发生沿层面的动态滑移失稳破坏。基于Perzyna黏塑性连续理论,提出了一个用于描述碾压混凝土层面动态剪切断裂行为的本构模型。该模型的特点有:混凝土材料的软化塑性和扩容特性直接与界面处断裂失效过程相联系;使用Carol率相关界面方程作为屈服判据来描述碾压混凝土材料的率相关性;使用经典塑性断裂理论来描述剪切面上的断裂失效和摩擦滑动过程,并且只需要较少的模型参数。利用该模型与含层面碾压混凝土的动态强度试验结果进行了对比分析,包括在不同的应力路径如单轴拉、压和压剪状态下和不同加载速率下的试验结果。结果表明模型与试验得出的结论吻合较好,这种弹-黏塑性动态剪切本构模型对预测包含薄弱层面的碾压混凝土动力破坏性能是有效的,这为相关工程问题的研究提供有益的思路和有效的工具。     

砂土统一本构模型研究及其三维数值实现

基于广义塑性理论与临界状态概念,研究提出了一个统一三维砂土本构模型,通过一组参数实现了砂土由压缩至剪切过程中状态参量的统一表述。基于ABAQUS提供的用户自定义材料子程序UMAT接口,利用Fortran语言编程实现了该三维弹塑性本构关系模型在软件中的二次开发。分别利用Toyoura砂、Fuji River砂以及Tokachi砂的剪切试验数据与数值模拟结果进行对比,结果表明:提出的有限元计算模型可以有效反映加载过程中不同围压和砂土初始密度对应力-应变曲线的影响,能够准确描述密砂的剪胀特性与应变软化特性以及松砂的剪缩特性与应变硬化特性,从而更加真实地反映三维应力状态下土的变形和强度特性。研究成果进一步扩展了ABAQUS在岩土工程中的应用范围,能够为岩土工程领域的数值分析计算提供更加快捷的解决方案。     

混凝土化学-力学损伤本构模型

水使混凝土孔隙溶液中钙离子流失是混凝土结构力学性能劣化的重要原因。根据试验结果,提出了一个新的混凝土化学—力学损伤耦合本构模型,用各向同性损伤变量描述混凝土化学—力学损伤。混凝土孔隙中钙浓度满足钙离子质量守恒的非线性扩散方程。有限元计算和试验结果表明,计算值和试验数据吻合很好,提出的本构模型能较好地反映混凝土化学—力学损伤耦合作用。     

RPC中空受压构件截面设计及受力性能研究

根据活性粉末混凝土(RPC)材料特性及构件受压稳定理论,以截面最薄处抗剪强度为控制指标设计了中空受压构件截面。据此制作了4个中空截面受压构件,对其轴压承载力进行了理论计算并进行了轴压破坏试验。采用数字影像相关技术(DIC)获得了构件全场应变云图进而得到构件荷载-变形关系曲线。基于Weibull构建了RPC的本构模型,并在ABAQUS中构建与之对应的混凝土损伤塑性本构模型。采用RPC损伤塑性本构模型对所设计中空截面构件进行了数值模拟,分析结果与理论计算及试验结果符合较好,构件破坏时RPC强度能够得到充分发挥,由此验证了构件截面设计的合理性。研究工作为RPC在框架结构中应用提供参考。     

碾压混凝土HJC动态本构模型修正及数值验证

研究高应变率冲击爆炸荷载作用下水工碾压混凝土大坝结构的动力响应,离不开对筑坝材料动态力学特性和本构关系的深入认识。参考实际水工混凝土大坝筑坝材料的配合比和施工方式,制备碾压混凝土试样,分别开展了静态压缩试验和分离式霍普金森压杆(SHPB)试验,以探求碾压混凝土的动态力学特性。基于静、动态力学试验结果,对目前多用于描述混凝土类材料高应变率下力学行为的HJC模型的强度面、应变率增强效应和破坏准则进行了修正,并利用有限元计算手段,建立SHPB试验的数值模型,以验证修正HJC模型的有效性。结果表明:碾压混凝土在高应变率冲击荷载下的动态力学特性表现出明显的应变率效应,动态压缩强度随应变率增加而提高,且与试样尺寸有关。基于试验数据的改进HJC模型有效预测了碾压混凝土在高应变率冲击荷载作用下的动态力学行为,数值计算得到的重构应力——应变曲线基本与SHPB试验结果吻合,采用最大主应变失效准则模拟得到了与SHPB试验加载过程中接近的试样损伤破坏模式,研究成果可用于碾压混凝土结构的抗冲击爆炸设计中。     

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。     

基于扰动状态概念的堆石料本构模型研究

堆石料是将天然岩石破碎料或河床沉积砂砾石料经人工颗粒级配而成的一类颗粒性材料,在水电工程中多用于筑建高混凝土面板堆石坝和粘土芯墙堆石坝,是坝体承受水压力的主要载体。该文基于Desai CS对砂性土所建议的扰动状态概念,旨在发展一种能反映堆石料复杂力学行为的弹塑性宏观本构模型。主要工作包括:1)采用临界状态模型描述堆石料的相对完整状态,根据堆石料内部微结构演化特征,在扰动函数中考虑了塑性体积应变影响,反映堆石料压硬性的特征;2)依据堆石料的大型三轴试验资料,建议了本构模型中全部参数的确定方法;3)数值算例的结果与国内某工程堆石料的三轴试验成果进行了验证与比较,结果表明:该文所发展的弹塑性宏观本构模型可以较好地模拟堆石料的非线性、压硬性、剪缩剪胀性和破碎等重要力学特性,并可以刻画复杂应力路径对颗粒材料应力变形的影响与演化过程。     

Three-dimensional fracture analysis of CT specimens with a ductile damage model based on endochronic plasticity theory

For many fracture problems of practical engineering importance, the three-dimensional effects are significant and a three-dimensional analysis for the problems is thus required. In this paper, an endochronic theory coupled with anisotropic damage is first established, which is actually an elasto-plastic damage theory coupled with isotropic-nonlinear kinematic hardening. The ductile damage evolution equation is derived from the orthogonality rule with a new intrinsic time scale introduced especially for damage evolution. Then, a three-dimensional finite element program incorporating the endochronic damage model is formulated and emploved to analyze the widely used CT fracture specimen. Two failure criteria are proposed for the prediction of crack initiation direction and crack initiation load. From the analysis, significant three-dimensional effects are observed and the crack is estimated to initiate first at the middle of the crack front line. Experiments have been conducted to verify the proposed theory and the results are found to compare well with the theoretical values.     

Failure analysis of a cracked plate based on endochronic plastic theory coupled with damage

An anisotropic model of damage mechanics for ductile fracture incorporating the endochronic theory of plasticity is presented in order to take into account material deterioration during plastic deformation. An alternative form of endochronic (internal time) theory which is actually an elasto-plastic damage theory with isotropic-nonlinear kinematic hardening is developed for ease of numerical computation. Based on this new damage model, a finite element algorithm is formulated and then employed to characterize the fracture of thin aluminum plate containing a center crack. A new criterion termed as Y _R-Criterion is proposed to define both the crack initiation angle and load. Experiments have been conducted to verify the validity of the proposed damage model and it is found that the theoretical crack initiation loads correspond closely with the measured values.     

A density-dependent endochronic plasticity for powder compaction processes

This paper is concerned with the numerical modeling of powder cold compaction process using a density-dependent endochronic plasticity model. Endochronic plasticity theory is developed based on a large strain plasticity to describe the nonlinear behavior of powder material. The elastic response is stated in terms of hypoelastic model and endochronic plasticity constitutive equations are stated in unrotated frame of reference. A trivially incrementally objective integration scheme for rate constitutive equations is established. Algorithmic modulus consistent with numerical integration algorithm of constitutive equations is extracted. It is shown how the endochronic plasticity describes the behavior of powder material from the initial stage of compaction to final stage, in which material behaves as solid metals. It is also shown that some commonly used plasticity models for powder material can be derived as special cases of the proposed endochronic theory. Finally, the numerical schemes are examined for efficiency in the modeling of a plain bush, a rotational-flanged and a shaped tablet powder compaction component.     

Damage development in a sidegrooved CT specimen based on a 3-D endochronic damage model

This paper presents a three-dimensional crack initiation analysis in a sidegrooved CT specimen. This is achieved with an endochronic damage model proposed recently by Chow and Chen [1, 2] and discretized for finite element analysis. The damage model enables the quantification of the progressive damage evolution which would not be otherwise possible using the conventional fracture mechanics analysis. By employing two separate damage failure criteria, the crack is predicted to initiate at a small distance from the sidegroove and the prediction agrees well with the experimental observation. A more uniform crack initiation across the crack-tip line is observed both experimentally and theoretically relative to the CT specimen without sidegrooving.     

基于材料损伤的钢筋混凝土构件损伤模型

基于地震作用下钢筋混凝土结构的损伤机理, 以钢材和混凝土材料损伤模型为基础, 推导出损伤状态下钢筋混凝土构件刚度和材料自由能退化表达式, 提出一种以刚度退化和自由能退化线性组合的钢筋混凝土构件损伤模型. 对钢筋混凝土柱的拟静力试验进行模拟分析, 结果表明该模型可以较好的描述钢筋混凝土柱的损伤演化过程, 且能够定量确定其在单向荷载作用下与之正交方向的损伤程度;对钢筋混凝土桥墩的振动台试验数据和钢筋混凝土刚构桥的数值算例进行了模拟分析, 结果表明基于材料损伤的钢筋混凝土构件损伤模型可以描述钢筋混凝土桥墩抗震能力的退化过程以及预测结构的失效模式, 可用于地震作用下桥梁结构的损伤分析.     

钢筋混凝土柱冻融损伤模型研究

为研究冻融后钢筋混凝土柱在地震作用下的响应,根据冻融损伤在构件截面分布的不均匀性,基于纤维截面分析方法,提出可考虑该分布的混凝土强度退化模型,以及等效冻融循环次数的计算方法。根据8榀考虑冻融影响的钢筋混凝土柱拟静力加载试验数据,对该文提出的模型进行了验证,同时与既有考虑冻融的混凝土模型进行了对比分析。结果表明:与未考虑冻融损伤分布的既有模型相比,该文模型的计算承载力较小,与试验数据吻合更好,即能够更准确地模拟不同程度冻融损伤后钢筋混凝土柱的地震反应。     

约束混凝土单轴弹塑性损伤本构模型

该文通过采用混凝土三维弹塑性损伤模型和弧长法分析了钢筋混凝土单轴压缩过程中箍筋对混凝土的约束作用,得到了约束混凝土单轴抗压强度和延性增大系数。基于连续介质损伤力学的基本框架,引入约束混凝土强度和延性增大系数,建立了混凝土单轴弹塑性损伤本构模型。验证表明:该文模型符合热动力基本方程,可较好地反映约束混凝土强度和延性增大、强度软化、刚度退化、塑性变形、裂面效应、等力学特性;模型参数与中国现行《混凝土结构设计规范》推荐的模型完全相同,易于工程应用。将该文模型与纤维束形式的Timoshenko梁单元相结合,在自主研发的结构非线性分析软件SAUSAGE中完成开发实现。利用SAUSAGE完成了某钢筋混凝土框架结构的大震动力非线性分析,结果表明:箍筋约束作用可以有效抑制梁、柱构件的非线性发展,影响了结构最大层间位移角和最大层间剪力等宏观指标。     

Modeling of plain concrete structures based on an anisotropic damage formulation

In this contribution, a strain-based constitutive law for concrete within the framework of continuum damage mechanics is proposed. The model allows for the multi-axial simulation of predominantly tensile loaded plain concrete structures. A second-order integrity tensor is chosen as the internal damage variable to consider the phenomenon of load-induced anisotropy. The model is implemented in the finite element method. Hence, a fracture-energy based regularization approach is included to overcome the mesh-dependence of the computational results. The proposed model is applied to the simulation of well-known experiments with plain concrete specimens, which are often used to demonstrate the applicability of damage constitutive laws. In this context, attention is focused especially on problems regarding the accurate implementation of the complex loading and boundary conditions. Oversimplifications are discussed and proposals for a more realistic involvement of the test setups in finite element models are submitted.