混凝土弹塑性损伤帽盖模型参数确定研究

摘要: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。本文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。     

力学损伤混凝土热传导行为细观研究

为研究力学损伤对温度传导行为的影响,考虑混凝土细观结构的非均质性,将其视为由骨料、砂浆和界面过渡区组成的三相复合材料,提出并建立了力学-热学单向耦合作用研究的细观数值方法与模型。方法的思想是:首先对非均质混凝土在荷载作用下开裂损伤力学行为模拟分析,获得其内部的损伤分布情况;然后,将力学分析结果作为初始输入条件,结合复合材料均匀化理论,获得损伤混凝土各细观单元的导热性能,从而实现了力学-热学单向耦合作用的数值模拟。以单轴压缩加载为例,通过与试验结果的对比,验证细观方法的合理性与有效性。基于该套细观数值模拟方法,对荷载作用后混凝土试件的宏观有效导热系数与温度场分布进行了细观计算分析,对比了不同复合材料力学模型的影响,探讨分析了压缩荷载水平的影响规律。     

端部摩擦约束对混凝土单轴动态压缩强度影响分析

混凝土宏观力学行为与其微/细观结构密切关联,考虑内部结构非均质性的影响,假定混凝土是由骨料、砂浆基质及界面过渡区组成的复合材料,建立了考虑端部摩擦约束的混凝土细观力学模型。以单轴压缩情况为例,针对不同的端部约束条件,模拟了中低应变率水平下混凝土的动态压缩行为,分析了端部摩擦约束对混凝土动态压缩力学特性尤其是动态强度的影响机理。数值结果表明:1相同加载速率下,混凝土动态压缩强度随端部摩擦因数的增大先增大,后逐渐趋于平稳;2端部摩擦约束效应改变了混凝土的单轴受力状态及损伤分布,对混凝土单轴压缩强度的提高有明显的贡献;3端部摩擦约束条件相同时,摩擦贡献因子随应变率的增大呈减小趋势,且端部摩擦因数越大,减小的趋势越明显。     

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。     

基于颗粒流离散元模型的弹丸侵彻细观混凝土数值模拟方法研究

利用颗粒离散单元法,研究弹丸侵彻细观混凝土模型中弹丸受到介质的阻应力与侵彻速度的关系。采用蒙特卡罗法随机生成并投放混凝土骨料且骨料的粒径分布满足级配曲线。通过对混凝土颗粒离散元细观力学模型进行单轴压缩实验、巴西劈裂实验和双轴压缩实验的参数反演,确定细观模型参数,能使细观混凝土模型具有和一般混凝土等效的力学性能。分析了骨料、过渡层和砂浆三相材料各细观参数对混凝土单轴压缩应力应变关系影响以及锥形弹和平头弹弹丸直径对侵彻阻应力的影响。将颗粒离散元细观力学模型方法计算的弹丸阻应力与空腔膨胀理论计算模型相比较,表明计算离散元方法具有良好的精度和实用性。     

非均质混凝土材料破坏的三维细观数值模拟

在随机骨料模型的基础上,采用特征单元尺度对网格进行剖分,建立了非均质混凝土材料损伤破坏及宏观力学特性研究的三维细观单元等效化模型。对单轴拉伸、单轴压缩条件下湿筛混凝土试件的破坏过程及宏观力学性能进行了模拟分析;研究了混凝土梁的三分点弯拉力学特性,并与平面模型结果作了对比。研究表明:1) 与平面计算模型相比,三维模型更真实地模拟混凝土材料在外荷载作用下的损伤破坏过程,更准确的描述非均质混凝土材料的宏观力学性能,且与实验结果吻合;2) 骨料空间分布形式基本不影响混凝土材料的宏观弹性模量及强度,但影响其破坏过程和破损路径;3) 与随机骨料模型等细观力学方法相比,该方法具有高效性。     

考虑冻融劣化效应的混凝土单轴压缩统计损伤模型

该文建立了考虑冻融劣化效应的混凝土单轴压缩统计损伤本构模型，将整个压缩过程分为均匀损伤和局部破坏两个阶段，考虑细观屈服和断裂两种损伤模式。在冻融环境下，混凝土内部孔隙结构形态和微结构的力学特征会产生显著的变化，可由初始弹性模量E反映；在进一步承受压缩荷载过程中，微结构内部微裂纹萌生/扩展的形态、路径和数量也会由于初始冻融劣化的影响发生相应的改变，可由损伤参数εa、εh、εb和H表征。假设不同冻融循环次数情况下，混凝土微结构力学性能和细观损伤过程的演变趋势服从某种规律性，将上述5个特征参数定义为冻融循环次数N的函数。为验证模型的合理性，该文开展了混凝土单轴压缩试验，获得冻融循环次数N为0次～150次时对应的单轴压缩应力-应变全曲线，同时分析了文献中的5组试验数据。结果表明：预测曲线与试验曲线吻合较好，模型中的特征参数随着冻融循环次数的增加表现出明显的规律性。该模型为冻融环境下混凝土损伤机制分析和预测提供了有效工具。     

考虑孔隙及微裂纹影响的混凝土宏观力学特性研究

混凝土是一种典型的多孔介质材料,孔隙分布错综复杂,孔径尺寸跨越微观尺度和宏观尺度,对混凝土弹性模量及强度等力学参数产生巨大影响.认为混凝土是由骨料、孔隙及砂浆基质组成的三相复合材料,采用Monte Carlo 法将孔隙、微裂纹及微缺陷与骨料颗粒随机投放在砂浆基质中.根据三相球模型及中空圆柱形杆件模型得到含孔材料的有效力学性质,并推导得到含孔材料的等效本构模型.建立含孔隙混凝土试件的细观单元等效化力学模型,对二级配含孔隙混凝土试件在单轴拉伸及压缩条件下的反应进行了非线性分析.结果表明:孔隙、微裂纹的存在对混凝土宏观弹性模量、强度及残余强度等力学性质都有很大影响,在对混凝土宏观力学特性分析及研究混凝土损伤断裂时不应忽略其影响.     

冲击压缩下准脆性材料含微裂纹损伤的本构模型

基于准脆性材料中翼型拉伸裂纹的成核准则,运用细观损伤理论推导了翼型裂纹损伤对材料弹性模量的弱化作用.考虑裂纹扩展对材料动态断裂的滞后效应,建立了动态裂纹扩展准则,并给出损伤演化方程,在此基础上建立了准脆性材料单轴冲击压缩下的动态损伤本构模型.结合氧化铝陶瓷材料独特的力学响应和破坏特性,讨论了模型中微裂纹成核参数、微裂纹尺寸对动态断裂强度的影响,并用该模型计算了单轴压缩下氧化铝陶瓷的应力应变曲线,数值结果与实验结果吻合良好.     

孔隙率变化规律及其对混凝土变形过程的影响

混凝土内部随机分布的微裂纹和孔洞等细观缺陷影响其破坏机理及宏观力学性能,且孔隙率随着外荷载的变化而不断变化。该文中将含缺陷(微裂纹、各种空隙等)混凝土复合材料简化为空心球力学模型,基于弹性力学理论推导并获得了混凝土当前孔隙率与材料初始孔隙率及体应变之间的定量关系;推导并得到了含孔隙混凝土的有效弹性模量、有效泊松比及峰值应变等与孔隙率的定量关系,进而得到了单轴加载条件下含孔隙混凝土细观单元的等效多折线本构关系模型。最后,采用细观单元等效化力学模型,研究了单轴加载(拉伸和压缩)情况下不同孔隙率混凝土材料的破坏过程及宏观力学性能,探讨了孔隙率变化规律及其对混凝土变形过程的影响。     

基于隐式梯度公式的各向异性混凝土损伤研究

在空间复杂应力状态下,混凝土损伤表现出强烈的应力方向相关性,隐式梯度公式中标量形式的损伤变量,不能精确描述混凝土在复杂应力状态下失效问题.该文引入窄间有效损伤矩阵,构造一种基于隐式梯度公式的各向异性的非局部损伤模型,证明了其率平衡方程在损伤过程中类型保持不变,给出空间应力状态下基于该模型的有限元程序,并将该模型应用于空...     

Damage model for concrete reinforced with sliding metallic fibers

This contribution presents an effective and practical three dimensional (3D) numerical model to predict the behaviour of concrete matrix reinforced with sliding metallic fibers. Considering fiber-reinforced concrete (FRC) as two-phase composite, constitutive behaviour laws of plain concrete and sliding metallic fibers were described first and then they were combined according to anisotropic damage theory to predict the mechanical behaviour of FRC. The behaviour law used for the plain concrete is based on damage and plasticity theories able to manage localized crack opening in 3D. The constitutive law of the action of sliding metallic fibers in the matrix is based on the effective stress carried by the fibers. This effective stress depends on a damage parameter related to on one hand, on the content and mechanical properties of fibers and on the other hand, on the fiber–matrix bond which itself depends on the localized crack opening. The proposed model for FRC is easy to implement in most of the finite element codes based on displacement formulation; it uses only measurable parameters like Young’s modulus, tensile and compressive strengths, fracture energies and strains at peak stress in tension and compression. A comparison between the experimental data and model results has been also provided in this paper.     

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。     

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。     

Dynamic fragmentation process in concrete under impact and spalling tests

Intense damages as scabbing on front face, spalling on rear face, radial cracks are observed in concrete structures when subjected to the impact of a kinetic striker. To characterize the dynamic strength and damage of concretes under such loadings one may perform spalling tests and EOI (edge-on impact) tests. Both tests have been conducted with dry and wet specimens of a micro-concrete named MB50. The tests revealed a remarked effect of strain-rate and free water on the dynamic response of the concrete. In parallel, bending tests and direct tensile tests have been performed with dry and saturated concrete samples considering large and small effective volumes and the results have been compared with five sets of data given in the literature with the same material. A scale effect is observed in agreement with prediction of Weibull theory. Moreover, an anisotropic damage model that describes the initiation of cracks and the obscuration of critical defects under high strain-rate tensile loading is presented. It allows accounting for the influence of loading-rate and free-water on the dynamic strength and damage of concrete observed in EOI and spalling tests.     

Effects of desiccation on mechanical behaviour of concrete

The objective of this work is experimental characterisation and numerical modelling of coupled behaviours between drying shrinkage and plastic damage in concrete. In the first part, we present an original experimental study on an ordinary concrete in order to determine material damage induced by drying shrinkage. Uniaxial compression tests are performed on samples dried for different periods. It is shown that material damage can be caused by drying process. Mechanical behaviour becomes more brittle with higher damage kinetics when concrete is dried. In the second part, a constitutive model is proposed in order to describe coupled hydro-mechanical behaviour of partially saturated concrete. This model takes into account induced damage, mechanical and capillary plastic deformations. Numerical simulations of experimental tests are presented, and show a qualitatively good agreement with experimental data. The results are relevant with respect to the importance of drying process in the durability study of concrete structures.     

Effective creep Poisson's ratio for damaged concrete

First, creep data are presented for concrete under high sustained compressive stress which is, over the long-term strength of the concrete. Creep in both axial and lateral directions is reported. Creep Poisson's ratio has remarkable change before failure, and a sharp increase of creep Poisson's ratio can be observed in the region of failure.Secondly, a damage model is developed for the analysis of creep damage in both axial and lateral directions; effective Poisson's ratio of damaged material as a model parameter plays an important role for evaluating lateral damage, which is similar to the effective Young's modulus in evaluating axial damage.     

单自由面混凝土介质中的深孔爆破数值分析

深孔爆破在混凝土结构物的爆破拆除中是一种常用的方法。本文基于大型非线性动力分析软件LS-DYNA,采用著名的混凝土损伤Johnson-Holmquist-Concrete模型,针对单自由面条件下混凝土介质中深孔爆破的情形,开展了大量的数值模拟;对炮孔周围的介质损伤、有效应力场、压力场、速度场以及药室的“扩孔”效应进行了比较全面的分析研究,得出的结论在工程实践中具有一定的参考价值。     

单自由面混凝土介质中的深孔爆破数值分析

深孔爆破在混凝土结构物的爆破拆除中是一种常用的方法。本文基于大型非线性动力分析软件LS-DYNA,采用著名的混凝土损伤Johnson-Holmquist-Concrete模型,针对单自由面条件下混凝土介质中深孔爆破的情形,开展了大量的数值模拟;对炮孔周围的介质损伤、有效应力场、压力场、速度场以及药室的“扩孔”效应进行了比较全面的分析研究,得出的结论在工程实践中具有一定的参考价值。