混凝土单轴滞回本构模型及ABAQUS二次开发

本文将建立的混凝土单轴滞回本构模型通过用户材料子程序UMAT在ABAQUS中二次开发。数值算法采用增量算法,即根据前一步结束时材料的应力、应变推导当前步结束时的应力、应变。采用状态变量标示应力状态在滞回曲线上的位置,给出假设应力状态下一个增量步的详细求解过程,其他应力状态可采用类似的方法求解。最后通过几个算例证表明开发模型及本文提出数值算法是准确有效的;开发本构模型能较为准确地反映不同截面形式构件箍筋约束作用对混凝土强度的提高效应,适合在实际工程中应用。     

用于ABAQUS梁单元的混凝土单轴本构模型

为准确模拟钢筋混凝土梁柱构件的滞回性能,对《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）附录C混凝土本构模型进行了补充修正。采用原点指向模型与拉区应力 应变曲线随受压残余应变点迁移法,补充完善了混凝土受拉加卸载、拉压受力状态转换的滞回规则;采用基于体积配箍率建立的约束指标λ_t分析了钢筋混凝土梁柱构件中箍筋对混凝土的约束作用;对《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）混凝土本构模型中的附加应变算法进行了修正,使得受压混凝土卸载/再加载变形模量能够反映循环加载下混凝土的受压损伤不可恢复特性。利用ABAQUS用户子程序接口UMAT,VUMAT进行二次开发,编写了适用于显、隐式动力分析的梁单元混凝土本构模型子程序,并对往复荷载下钢筋混凝土柱受力性能进行了模拟分析。结果表明:模型的数值模拟结果与拟静力试验结果吻合良好;构建的混凝土本构模型能够用于混凝土梁柱构件在复杂受力状态下的非线性性能分析。     

基于ABAQUS的混凝土材料非线性本构模型的研究

主要讨论了利用大型通用非线性有限元分析软件ABAQUS对钢筋混凝土构件进行非线性有限元分析,重点对ABAQUS提供的混凝土本构模型、破坏准则、钢筋的本构关系以及如何在ABAQUS中处理钢筋与混凝土的粘结滑移效应进行深入研究,并针对混凝土受拉区的非线性行为提出了固定弥散裂缝模型进行模拟。最后通过一个算例分析,将实验结果与数值模拟结果进行分析比较,证明了运用ABAQUS对钢筋混凝土构件进行分析有较好的精度。     

OpenSees混凝土单轴本构关系二次开发

由于其强大的非线性分析功能,OpenSees越来越广泛地被应用于结构的非线性分析当中。混凝土本构模型是钢筋混凝土结构非线性分析的基础。详细介绍了在OpenSees中添加新单轴材料本构的基本原理。Mander模型是应用最为广泛的箍筋约束混凝土本构模型之一,但OpenSees中尚未集成Mander模型。以Mander模型为例,介绍了箍筋约束混凝土单轴滞回本构关系的开发过程,并成功地将其集成到OpenSees中。最后用三个算例验证了新添加本构关系的实用性。     

基于ABAQUS土体数值分析的本构模型

为了提高ABAQUS软件分析土体的准确性,对软件中运用的弹塑性本构模型Drucker-Prager和修正剑桥两种模型的特点和应用的参数进行了分析。结果表明弹塑性本构模型Drucker-Prager与修正剑桥模型的适用范围、条件以及参数的选取各不相同。Drucker-Prager适用于砂土等粒状材料,修正的剑桥模型适合于正常固结粘土和弱固结粘土。     

混凝土弹塑性本构实用模型研究

在深入研究了混凝土弹塑性本构理论基础上,提出了一个混凝土弹塑性本构模型,将Mande模型骨架曲线做一定的改进作为模型的等效单轴应力—应变曲线,加载硬化阶段采用应力空间弹塑性模型,软化阶段采用应变空间弹塑性模型,推导了应变空间下硬化参数的计算公式。模型屈服面采用黄克智—张远高三参数破坏准则,并推导了屈服面三个参数与混凝土强度之间的关系,为屈服面参数的确定提出了一种实用方法。将本文提出的模型在ABAQUS中二次开发,数值算法采用图形返回算法,通过几个算例表明本文提出的模型具有较高的计算准确度。     

混凝土多轴非线性本构模型的研究

通过大量试验,测得了混凝土在单轴应力状态及在5种不同应力比下的双轴应力状态的应力-应变关系.论述了Jones-Nelson-Morgan模型的构成原理及其参数的确定方法,首次将这个模型,用于混凝土材料的本构关系分析,结合混凝土的单轴试验结果,建立了混凝土的非线性本构模型,该模型的特点是材料的力学性能只为应变能的函数,使材料模型可以方便地应用于复杂应力状态.利用广义虎克定律,将模型推广应用于混凝土双轴应力状态的本构关系分析,获得了与试验结果符合较好的理论模型.     

基于损伤理论的腐蚀混凝土单轴受压本构模型

通过检测有机物和微生物、强酸、无机盐对混凝土的腐蚀作用的试验,研究受腐蚀混凝土的单轴受压本构关系变化规律。引入了混凝土随腐蚀介质和时间变化的参数,结合基于损伤理论的混凝土本构模型,通过对实验数据的拟合提出了腐蚀混凝土单轴受压本构模型。并利用该模型对腐蚀构件进行有限元分析,证明其优于普通混凝土本构模型。     

基于能量的混凝土单轴受压塑性损伤本构模型

基于不可逆热力学理论及连续介质损伤力学理论,考虑材料的塑性变形与损伤变量之间的耦合关系,认为混凝土材料的塑性Helmholtz自由能与弹性Helmholtz自由能间存在某种内变量函数关系,以此重新定义损伤能量释放率的表达式,并给出内变量函数的具体表达式。参考Weibull分布曲线的形状,建立了损伤能量释放率与损伤变量的关系,推导单轴受压混凝土的损伤演化方程。根据混凝土材料单轴受压下的塑性特征,给出材料塑性变形关系的经验公式,从而建立完整的单轴受压混凝土的塑性损伤本构模型。通过与混凝土的单轴受压试验结果进行对比分析,验证所建模型的有效性,结果表明所建模型能较真实地反映混凝土的非线性行为和损伤演化过程。     

基于ABAQUS的形状记忆合金本构研究

利用ABAQUS的用户材料子程序VUMAT编制了的形状记忆合金(Shape m emory alloys,SMA)超弹性本构模型,并将其本构模型嵌入到ABAQUS材料库中。基于ABAQUS程序以及上述形状记忆合金本构模型,本文计算分析了某含有SMA材料构件的12层剪力墙结构在地震荷载作用下的响应,验证了该子程序的正确性及准确性。     

基于ABAQUS三维梁单元的混凝土材料子程序二次开发

ABAQUS软件缺少能良好应用于三维梁单元动力弹塑性分析的混凝土材料模型。基于Scott-Kent-Park混凝土模型二次开发了适用于梁单元的混凝土材料子程序,并对框架柱、剪力墙构件的低周反复试验及框-剪结构振动台试验进行了模拟对比分析。结果表明,开发的混凝土材料子程序应用于三维梁单元弹塑性动力分析中具有良好的精度和收敛性,是对ABAQUS中的混凝土材料模型的有效扩充,可供三维结构动力时程分析参考。     

混凝土多轴弹塑性损伤本构模型

建立了混凝土的多轴弹塑性损伤本构模型.考虑到混凝土在受拉和受压荷载作用下的不同破坏机理,将应力张量分解成受拉和受压两部分,定义了塑性屈服函数,从而达到考虑混凝土塑性变形的目的.在连续损伤力学理论的框架内定义了相应的损伤变量,并分别给出了损伤准则,以描述材料的不同损伤过程.对混凝土的单/双轴受拉和单/双轴受压四种加载情形进行了数值计算,并与相关的试验对比,结果验证了模型的正确性及有效性.     

混凝土损伤本构模型

结合国内外资料,列举了几种具有代表性的混凝土损伤本构模型,详细介绍了各种模型的优缺点,并提出了今后的研究任务和目标。     

基于ABAQUS用户子程序的岩体非线性蠕变模型

建立了岩体非线性蠕变损伤演化方程,通过自行编制ABAQUS蠕变子程序,对圆形隧洞的开挖和蠕变后的力学行为进行了数值分析,实现了非线性蠕变本构模型的二次程序开发。     

用人工神经网络建立混凝土本构模型

分析了混凝土本构关系的复杂性，介绍了运用神经网络建立混凝土本构模型的基本方法，探讨了人工神经网络技术中存在的问题，从而促进人们准确全面地分析需要设计的结构。     

箍筋约束混凝土轴压本构模型研究

分析了箍筋约束混凝土的受力机理,提出了综合反映约束混凝土轴压性能的约束指标,并且按照约束效果将约束混凝土划分为高约束、中约束和低约束3类约束水平.在试验数据的基础上,给出了箍筋约束混凝土抗压强度、峰值应变、极限应变和破坏应变的计算公式并进行了验证,提出了箍筋约束混凝土轴心受压本构模型.结果表明:所提出的本构模型与试验结果符合较好且满足损伤边界条件,可用于该类构件的理论分析和设计计算.     

混凝土本构模型的研究现状与展望

混凝土本构模型是混凝土结构研究的一个重要方向,时从基于经典力学基础上的本构模型到基于新兴力学理论的本构模型进行分析比较,指出基于神经网络的混凝土模型有很大发展前景。     

混凝土弹塑性单轴受压分形损伤本构关系研究

考虑混凝土单轴受压破坏机理,在混凝土静力损伤基础上引入弹簧-摩擦块模型,以模拟混凝土弹塑性阶段的细观结构变化。基于细观模型中弹簧、摩擦块对混凝土断裂面的影响,分析了混凝土受压损伤的破坏规律,建立了不同强度等级混凝土弹塑性单轴受压损伤本构模型,采用混凝土分形曲面模拟方法对所建模型进行了验证。结果表明：所建立的模型能够较好描述混凝土的塑性变形,对混凝土弹塑性的离散范围具有良好的预测能力。     

混凝土弹塑性耦合疲劳本构模型

考虑到混凝土具有弹塑性耦合的性质，本文运用弹塑性理论在应变空间建立了一个能描述混凝土和刚度变化的塑性面，通过改变屈服阈值来分析混凝土在疲劳加载下的本构特征。计算结果表明，该模型能较好的描述混凝土在单轴及多轴单调加载和疲劳加载下的性质。     

基于扰动应力场模型的ABAQUS二次开发及其与塑性损伤模型的比较

扰动应力场模型（DSFM）由于考虑了裂缝间的剪切滑移效应,融合了转动裂缝模型和固定裂缝模型的思想,可以更真实地模拟钢筋混凝土构件的受剪性能。通过大型通用有限元软件ABAQUS的二次开发接口,开发了基于DSFM模型思想的用户子程序UMAT,重点介绍将剪切滑移应变从总应变中分离出来的算法,并给出能够适应UMAT开发要求的编程方法和流程。利用所开发的UMAT子程序和ABAQUS内置的塑性损伤（CDP）模型对多伦多大学完成的多块钢筋混凝土平板试验进行分析。结果表明,所开发的子程序能够准确反应不同配筋形式的钢筋混凝土单元在不同受力状态下的响应,而ABAQUS内置的CDP模型由于无法反应钢筋混凝土单元斜裂缝出现后的剪应力强化效应,不能用于钢筋混凝土的受剪性能分析。