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。     

颗粒增强复合材料刚塑性细观损伤本构模型的验证

验证已建立的刚性颗粒增强复合材料刚塑性细观损伤本构理论的合理性和可靠性。将上述本构理论的数值计算结果与SiC颗粒增强的铝基复合材料单轴拉伸实验结果进行比较。结果表明:由此本构模型得到的应力-应变理论曲线与拉伸实验所得的应力-应变曲线基本吻合,从而验证了该本构模型的合理性和可靠性。因此已建立的刚塑性细观损伤本构模型可用于数值计算,在一定程度上可预测颗粒增强复合材料的力学特性。在此基础上对大、小颗粒增强复合材料的延展性、空洞和颗粒体积分数演化规律等作了讨论。      

二维编织C/SiC复合材料非线性损伤本构模型与应用

基于二维编织C/SiC复合材料的基本力学性能试验, 建立了该材料的宏观正交各向异性非线性损伤本构模型。模型中以可检测的应变作为变量, 采用形式简单的函数分别描述了单轴拉伸和剪切加载下的材料损伤演变下的应力-应变关系, 以及卸载状态的刚度变化规律。同时, 考虑了材料的单边效应以及拉压应力状态转换时的损伤钝化行为。将此本构模型编写成UMAT子程序并引入ABAQUS有限元软件, 可以完整描述该材料的加载非线性和卸载线性的应力-应变关系特征, 及其加卸载历史。通过对带孔板的拉伸模拟, 孔边应变分布与试验结果吻合较好, 验证了本构模型的有效性。     

2D-C/SiC复合材料偏轴拉伸力学行为研究

通过对2D-C/SiC复合材料试件进行不同偏轴角度的拉伸实验,研究了偏轴角度对材料拉伸力学特性的影响。通过应变片分别测得了材料加载方向和纤维束方向上的应力-应变行为,对比分析了偏轴角度对上述应力-应变行为的影响;并结合试件断口扫描电镜照片,阐释了纤维束方向上拉伸和剪切损伤间的相互耦合效应。实验结果表明,材料的拉伸模量和强度随偏轴角度的增大出现明显下降;材料纤维束方向上的拉伸损伤和剪切损伤具有显著的相互促进作用。最后,以材料0°拉伸和45°拉伸实验数据为基础,建立了材料的偏轴拉伸应力-应变行为预测模型,模型预测结果与实验结果吻合较好。     

循环荷载作用下超高性能混凝土的轴拉力学性能及本构关系模型

对具有不同拉伸应变特性(应变强化和应变软化)的超高性能混凝土(Ultra high performance concrete, UHPC)进行了单调和循环荷载作用下的直接拉伸试验。试验结果表明:应变强化UHPC基体开裂后进入多点微裂纹分布的应变强化段,达到极限抗拉强度后进入单缝开裂的应变软化段;应变软化UHPC基体开裂后直接进入单缝开裂的应变软化段;循环荷载下两种类型UHPC的轴拉应力-应变曲线包络线与单调荷载下的应力-应变曲线基本一致;基于刚度退化过程建立了两种类型UHPC的轴拉损伤演化方程,根据实测应力-应变曲线和试件的裂缝分布形态建立了两种类型UHPC的轴拉本构关系模型,与试验结果基本吻合;采用能量法研究了应变强化UHPC两阶段轴拉本构关系在数值计算时的等效方法。最后,通过无筋应变强化UHPC抗弯试验梁的数值模拟对本文建立的应变强化UHPC轴拉本构关系模型和损伤演化方程及相关假定进行了验证,结果表明本文建立的应变强化UHPC轴拉本构模型能较好地预测UHPC弯拉构件的极限承载力,轴拉损伤变量能在宏观层面上较好地反应试件的裂缝分布状态。      

基于损伤模型的2024-O-T42搭接件动态拉伸失效分析

针对高锁螺栓单搭接件所采用的2024-O-T42铝合金,设计狗骨试验件进行准静态与动态拉伸试验,设计六种不同的缺口试验件进行准静态拉伸试验。通过开展拉伸失效仿真,对比Hartley-Srinivasan与Johnson-Cook两种本构模型,以及最大塑性应变失效准则、Johnson-Cook失效模型与GISSMO损伤模型三种失效模型。结果表明,在试验的100 s^-1应变率范围内,2024-O-T42铝合金材料流动应力应变率效应不明显,其最大相差约为5%;在不考虑应变率及温度的情况下,Hartley-Srinivasan本构模型比Johnson-Cook本构模型更能准确表征材料塑性段的力学行为;采用Hartley-Srinivasan本构模型和GISSMO损伤模型,高锁螺栓单搭接件在1 m/s、3 m/s、5 m/s拉伸速度下的仿真结果与试验结果吻合更好,且仿真获得的失效位移相对试验失效位移平均值分别偏大4.7%、偏大4.3%和偏小7.4%。     

Glass/Epoxy复合材料叠层板面内剪切连续损伤模型

为确定S2玻璃纤维/环氧树脂(S2-Glass/Epoxy) 叠层复合材料面内剪切应力-应变关系,对S2-Glass/Epoxy 叠层复合材料面内剪切拉伸载荷下的弹、塑性连续损伤本构模型及应用进行了研究。基于平面应力状态下的连续损伤力学模型,通过典型面内剪切拉伸实验,分别建立了忽略塑性应变和考虑塑性应变的两种连续损伤力学(CDM)模型,并确定相关参数。通过ABAQUS/Explicit 用户子程序VUMAT接口,分别采用两种CDM模型对S2-Glass/Epoxy 叠层复合材料面内剪切拉伸实验进行有限元数值计算,与实验结果对比,验证模型可靠性,并分析单元类型对有限元计算结果的影响。研究结果表明: 忽略塑性应变的CDM模型可以很好地预测复合材料面内剪切失效强度,但不能较好地预测其非线性力学响应; 考虑塑性应变,将塑性硬化与损伤耦合后的CDM模型则能较好的预测复合材料非线性力学响应和面内剪切失效强度; 该平面应力状态下建立的CDM模型可用于壳单元进行复合材料有限元数值计算,横向剪切作用导致传统壳单元数值计算的载荷位移曲线略低于平面应力单元计算结果; 减缩积分算法有利于提高有限元数值计算结果的准确性。     

考虑应变率效应的混凝土单轴压缩统计损伤本构模型

基于统计损伤理论,建立考虑应变率效应的混凝土单轴压缩统计损伤本构模型。考虑细观断裂和屈服两类损伤模式,将临界状态作为均匀损伤阶段向局部破坏阶段过渡的转折点,且滞后于峰值应力状态。在动态荷载作用下,混凝土内部细观结构的力学性能发生变化,同时微裂纹的扩展形态、路径和和数量较准静态发生显著改变,进而改变了两类细观损伤模式的演化过程,可由5个特征参数来表征。开展混凝土单轴压缩动态力学性能试验,获得了10-5～10-2/s应变率范围内的应力-应变曲线。利用6组试验数据对模型进行验证,结果表明：模型预测曲线与试验曲线吻合良好,表征细观损伤机制的特征参数随着应变率的提高显示出明显的规律性。该模型可以较好地描述混凝土的动态力学行为,在应变率效应机理、细观损伤机制、宏观非线性本构行为之间建立起有效的联系。     

高性能PVA 纤维增强水泥基复合材料常规三轴受压本构模型

对PVA 纤维体积率从0%~2%的高性能水泥基复合材料(HPFRCC)圆柱体试件进行了6 种不同围压下的常规三轴受压试验,研究其三轴受压性能,测得了极限抗压强度、峰值应变、极限应变以及应力-应变曲线。根据试验结果得出HPFRCC 的极限抗压强度、峰值应变以及极限应变与侧向围压之间的关系。基于实测圆柱体应力-应变曲线的特点,提出了HPFRCC材料常规三轴受压本构模型。计算结果与试验数据的对比表明,根据该文模型所得的计算曲线与试验曲线吻合较好,研究成果可为HPFRCC结构非线性有限元分析提供依据。     

ECC单轴受拉损伤本构模型研究EI北大核心CSCD

通过单轴拉伸试验,讨论了PVA纤维体积掺入量和水胶比对工程用水泥基复合材料(ECC)受拉力学性能参数(开裂应变、开裂应力、峰值应变、峰值应力、极限应变以及应力-应变关系曲线)的影响规律。基于此,从损伤力学的角度讨论了ECC在单轴受拉过程的开裂前阶段、应变硬化阶段以及应变软化阶段的损伤演化机制。进而,基于ECC受拉损伤演化机制提出ECC受拉损伤本构模型,并给出模型相关参数的计算方法,分析表明:该文提出损伤模型得到的ECC受拉损伤演化曲线能更为合理的描述ECC的损伤演化全过程。最后,该文损伤模型计算的ECC受拉应力-应变关系曲线和试验曲线对比结果表明,所提出的模型能够合理的描述ECC受拉非线性应力-应变关系特征,且具有良好的精度。     

基于连续介质损伤力学的复合材料层合板低速冲击损伤模型

基于连续介质损伤力学（CDM）方法,建立了分析复合材料层合板低速冲击问题的三维数值模型。该模型考虑了层内损伤（纤维和基体损伤）、层间分层损伤和剪切非线性行为,采用最大应变失效准则预测纤维损伤的萌生,双线性损伤本构模型表征纤维损伤演化,基于物理失效机制的三维Puck准则判断基体损伤的起始,根据断裂面内等效应变建立混合模式下基体损伤扩展准则。横向基体拉伸强度和面内剪切强度采用基于断裂力学假设的就地强度（in-situ strength）。纤维和基体损伤本构关系中引入单元特征长度,有效降低模型对网格密度的依赖性。层间分层损伤情况由内聚力单元（cohesive element）预测,以二次应力准则为分层损伤的起始准则,B-K准则表征分层损伤演化。分别通过数值分析方法和试验研究方法对复合材料典型铺层层合板四级能量低速冲击下的冲击损伤和冲击响应规律进行分析,数值计算和试验测量的接触力-时间曲线、分层损伤的形状和面积较好吻合,表明该模型能够准确地预测层合板低速冲击损伤和冲击响应。     

考虑位错密度和损伤的NiCoCrFe高熵合金晶体塑性有限元分析EI北大核心CSCD

结合实验和晶体塑性有限元方法研究准静态加载NiCoCrFe高熵合金有限变形过程中的宏观和微观力学响应、损伤行为以及微观结构演化。使用电子背散射衍射技术(EBSD)对拉伸实验变形前后NiCoCrFe的微观结构进行表征。通过修改强化模型和流动准则分别在CPFEM模型中引入位错密度内部状态变量和连续介质损伤因子,并结合拉伸实验应力-应变曲线确定NiCoCrFe相关的模型参数。结果表明:考虑位错密度和损伤的CPFEM模型可以有效地描述NiCoCrFe宏观和微观力学响应。CPFEM模型合理预测NiCoCrFe颈缩区域的变形形状和尺寸,其中实验获得的颈缩区域长度比预测结果小7%,CPFEM预测的颈缩区域宽度比实验结果大23%。CPFEM模型预测NiCoCrFe拉伸变形后的织构演化同EBSD表征结果大致相同,均表现为弱的(100)∥RD以及强的(111)∥RD纤维织构。在三维微观结构损伤分析中,CPFEM模型预测的损伤在应力集中以及位错密度集中的晶界处萌生,表现为晶间损伤机制,并且随着变形的增加损伤逐渐向晶粒内部扩展。     

纤维金属层板低速冲击试验和数值仿真

为开展纤维金属层板（FML）低速冲击有限元数值仿真研究,改进了传统的连续损伤力学（CDM）模型,然后对FML落锤低速冲击试验进行数值仿真,并与实验结果进行对比验证。分别采用5.11 J 和10.33 J冲击能量对FML进行落锤低速冲击试验,得到冲击载荷、位移和能量时程曲线,分析FML的动态响应和失效模式。建立了考虑塑性应变、压缩刚度衰减特征和纤维拉伸断裂损伤的新CDM模型,描述S2-玻璃纤维/环氧树脂（S2-galss/epoxy）复合材料的损伤本构,并编写VUMAT子程序,通过ABAQUS/Explicit求解器对FML落锤冲击试验进行数值仿真。研究结果表明：低能量冲击条件下,FML背面主要为鼓包和裂纹等失效模式,位移峰值随冲击能量的提高而增加,冲击载荷峰值在穿透前也随冲击能量的提高而增加;采用改进的CDM模型描述FML中S2-galss/epoxy复合材料铺层后,有限元数值计算可以较好地预测FML低速冲击载荷下的动态响应;有限元数值仿真结果表明,FML中第2层复合材料铺层发生的纤维断裂损伤比第1层的更严重。     

Micromechanical Analysis of Interphase Damage for Fiber Reinforced Composite Laminates

In the present study, the initiation and evolution of the interphase damage and their influences on the global stress-strain relation of composite laminates are predicted by finite element analysis on a micromechanical unit cell model. A thin layer of interphase elements is introduced and its stress-strain relation is derived based on a cohesive law which describes both normal and tangential separations at the interface between the fiber and matrix. In addition, a viscous term is added to the cohesive law to overcome the convergence difficulty induced by the so-called snap-back instability in the numerical analysis. The matrix behavior is described by a recently developed nonlinear viscoelastic constitutive model. As application examples, glass fiber/epoxy unidirectional laminates under off-axis loadings are analyzed. One-quarter of the unit cell is used in the analysis accounting for the geometrical symmetry of the model, and the corresponding periodic boundary conditions for combined global shear and normal loading are derived. Results show that the initiation and evolution of the interphase damage can be well simulated and the predicted global stress-strain responses are in good agreement with the experimental results.     

新型耐火耐候钢材高温力学性能与本构模型研究

采用标准试验方法,对首钢集团生产的楼承板用SQ410FRW耐火耐候钢冷轧钢带进行稳态拉伸试验,以测定其典型高温力学性能指标,包括钢材高温弹性模量、规定塑性延伸强度、抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率。通过非线性回归方法得出相应的高温折减系数表达式,包括弹性模量折减系数、规定塑性延伸强度折减系数和抗拉强度折减系数。根据试验应力-应变关系曲线,回归得出基于Ramberg-Osgood模型(R-O模型)的应力-应变本构模型,以用于后续有限元参数化建模过程中对结构构件的温度场分析和顺序热力耦合分析。试验结果表明：绝大多数拉伸试样均在平行段内或标距段内发生断裂,且断后伸长率随温度升高呈现总体增大趋势;高温弹性模量、高温规定塑性延伸强度和抗拉强度在600℃及以下时降低较少,均保持在常温名义值的60%以上,基本满足耐火钢的力学性能指标要求;基于R-O模型的应力-应变本构关系表达式的拟合优度均在90%以上,与试验应力-应变曲线吻合良好,故提出的本构模型可用于相关钢结构或组合结构构件的有限元抗火分析。     

5182-O铝合金塑性成形性能表征

目的 结合复杂加载状态试验、塑性和损伤断裂本构模型及有限元应用,实现AA5182-O铝合金在复杂加载状态下塑性变形和损伤断裂行为的精确表征。方法 通过拉伸、剪切等试验,研究5182-O在剪切、单向拉伸、平面应变拉伸等复杂应力状态下的力学性能,应用pDrucker方程来表征其复杂加载状态下的塑性变形和损伤断裂特性。采用逆向工程方法实现pDrucker屈服方程和pDrucker断裂准则的精确标定。将标定后的塑性本构模型和损伤断裂准则应用到ABAQUS/Explicit中,预测不同试件的塑性变形和损伤断裂情况。结果 通过有限元模拟与试验结果的对比,发现有限元仿真准确预测了5182-O在复杂加载状态下的力-位移曲线和损伤断裂情况。结论 有限元模拟与试验结果的对比表明,pDrucker方程可以实现5182-O铝合金在复杂加载状态下塑性成形性能的精确表征。标定的pDrucker方程可应用于5182-O冲压成形过程的有限元分析、模具设计和工艺优化中。     

考虑剪切非线性影响的复合材料连续损伤模型及损伤参数识别

在复合材料正交各向异性连续损伤力学的基础上,引入由应变描述的连续综合变量,损伤演化方案采用综合变量的指数函数。考虑复合材料剪切非线性,通过非线性损伤因子在全局损伤出现之前将其引入本构方程。编写了VUMAT实施损伤模型,介绍连续损伤模型中材料参数的取值方法。对无法通过试验获得的损伤参数,采用遗传算法原理,定义个体适应度为试验及模拟载荷-位移曲线误差,通过编写MATLAB程序调用ABAQUS有限元模型实施参数反演方法。选择了常用铺层结构的复合材料带孔层合板进行仿真参数识别分析,验证了基于遗传算法参数识别方法的可行性。     

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.     

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。