基于三维弹塑性损伤模型的木材非线性分析

为预测木材复杂的受力行为,在弹塑性理论和连续介质损伤力学的框架内建立了木材三维弹塑性损伤本构模型。采用Hill屈服准则和Voce强化模型描述木材受压硬化行为;通过修正后的Hashin破坏准则和指数型损伤演化模型控制木材受拉、受剪的损伤演化过程。基于应变增量法求解本构模型的数值解,并采用Newton-Raphson迭代法求解塑性应变。通过编写用户自定义子程序（UMAT）将本构模型嵌入商业有限元软件ABAQUS,并根据试验结果对本构模型进行了验证。针对木材顺纹和横纹受压试验的数值模拟结果表明,该模型可以有效地描述木材的受压非线性硬化行为。针对木材斜纹受拉试验的数值模拟结果表明破坏准则可以较为准确地识别木材在横纹拉应力和顺纹剪应力作用下的破坏模式,损伤演化模型可以合理地控制木材的损伤演化过程。     

PVC涂层织物膜材的非线性各向异性本构关系模型

基于各向异性弹塑性理论,通过等效应力和等效塑性应变反映材料固有的非线性性质,并结合三参数形式的弹塑性屈服函数,提出了1种适用于聚氯乙烯（PVC）涂层织物膜材的非线性各向异性本构模型.为确定本构模型中的待定参数,同时验证该本构模型的适用性,进行了7个偏轴角度（0°、5°、15°、45°、75°、85°和90°）的单轴拉伸试验,并将模型预测结果与试验结果进行对比.结果表明：该本构模型能够较为准确地反映PVC涂层织物膜材拉伸时的非线性应力应变关系,可用来预测PVC涂层织物膜材在拉剪应力共同作用下的力学行为.     

木材本构模型研究进展

木材本构模型是木结构受力分析的基础。基于木材各纹理方向的单调加载、重复加卸载试验结果，总结了木材的失效机理及其非线性受力特征。在此基础上，梳理了木材经验本构模型、弹性本构模型、弹塑性本构模型和损伤本构模型的研究现状，分析了上述本构模型对木材非线性受力行为的表征能力及其存在的问题。结果表明：木材非线性受力特征包括顺纹及横纹受拉脆断、顺纹受压应变软化、横纹受压应变强化、顺纹和横纹剪切脆断、顺纹和横纹受压卸载时存在的不可恢复变形和刚度退化行为等；不同本构模型对木材非线性受力特征的表征能力不同，但弹塑性损伤本构模型最能全面反映其非线性受力机制。对于木材本构模型，亟待深入开展的研究工作，主要包括：建立基于木材宏观构造特征与物理性能的全部弹性常数预测模型；建立复杂受力状态下木材损伤机制与强度准则；建立可以考虑塑性与损伤耦合效应、材质劣化效应的弹塑性损伤本构模型，为进一步完善木材本构模型提供参考。     

一个考虑颗粒破碎的堆石料弹塑性本构模型

基于广义塑性理论建立了一个考虑堆石料颗粒破碎的弹塑性本构模型。模型采用随平均应力增加而减小的峰值摩擦角和特征点摩擦角来反映堆石料因颗粒破碎而表现出的峰值应力比与剪胀应力比的非线性,在此基础上确定塑性流动和加载方向向量;运用指数型压缩函数建立依赖于体积应变和平均应力的压缩参数 λ ,并构造随平均应力与剪应力水平而变化的塑性模量表达式。模型共有 8 个参数,均可通过等向或单向压缩和三轴压缩试验确定。为验证本文模型的合理性,依据试验资料确定了 3 种不同堆石料的本构模型参数,并对典型三轴压缩试验进行了模拟。 3 种材料的模型预测结果与试验数据均吻合良好,表明本文模型可合理反映了颗粒破碎对堆石料强度与变形特性的影响。     

结构性软土三维弹塑性损伤本构模型研究

基于所提出的岩土材料统一各向同性破坏准则,通过引入椭圆–抛物双屈服面模型以及结构性损伤屈服面,结合复合体损伤概念,建立了三维主应力空间中弹塑性损伤本构模型,该模型能够反映结构性软土应力应变的非线性、剪胀剪缩特性、结构性以及中主应力对变形的影响。通过结构性软土试验结果与模型的计算结果对比分析,表明该模型能够较好地预测结构性软土三维空间的应力–应变特性。     

PVA纤维水泥基复合材料单轴受压试验研究

聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(Polyvinylalcoholfiber reinforced cementitious composites简称PVA-FRCCs)是一种高性能纤维增强水泥基复合材料。采用棱柱体试件(150 mm×150 mm×550 mm)研究其单轴受压力学性能。单轴受压试验直接获得了棱柱体试件的应力-应变全曲线,从而获得峰值应力、峰值应变、弹性模量,并系统分析了纤维体积掺量对上述参数的影响。通过对试验数据和已存模型比较获得一个能够描述其应力-应变曲线的非线性本构模型。     

钢纤维对混凝土单轴受压损伤本构模型的影响

基于Weibull统计分布理论和等效应变假设,推导出纤维混凝土(SFRC)受压损伤本构模型.为更好地描述钢纤维对混凝土受压损伤的影响,模型中引入考虑纤维体积分数与纤维几何特征的纤维因子.结合纤维混凝土单轴受压试验数据,对模型中的参数进行修正,并将修正后的理论曲线与试验曲线进行比较.为验证模型的有效性,分别选取压应变为1.5εpk,2.0εpk处的压应力试验值与预测值进行对比.结果表明:理论曲线与试验曲线吻合较好,该模型在压应变为0~1.5εpk时可有效地描述单轴受压状态下纤维混凝土的损伤扩展过程以及纤维对峰值应力后的混凝土受压性能的改善作用.     

岩石三维弹塑性损伤本构模型研究

基于应变等效假设和真实应力概念的弹塑性损伤理论,在真实应力空间内,结合非线性统一强度模型,以广义塑性剪应变为硬化参数,并同时考虑应力水平对硬化速率的影响,建立了无损状态下岩石材料的弹塑性表达式;在名义应力空间内建立考虑围压对损伤速率影响的损伤演化方程,从而建立了岩石材料的三维弹塑性损伤本构模型。本构模型中各物理参数意义明确,与材料试验结果的对比表明,所建立的三维弹塑性损伤本构模型可较好地描述岩石材料在多轴受力情况下的变形与强度特性,为岩体工程的复杂非线性受力分析提供理论依据。     

考虑拟弹性塑性变形的土体弹塑性本构模型

传统弹塑性理论下的关联流动模型用于岩土材料时,对更一般的本构关系的描述难以令人满意,这是因为土的塑性应变增量方向存在非唯一性,这在理论和试验上都已得到证明。传统弹塑性理论是基于塑性应变增量方向具有唯一性的假设之上的,因而不论采用关联流动法则还是非关联流动法则,都难以较好地解决岩土材料本构关系的建模问题,有必要去发展新的理论。同时已有的研究也表明土的塑性应变增量方向不仅取决于总应力,也与应力增量是相关的,即表现出弹性应变的特性。在广义位势理论的基础上,研究塑性应变增量的分解准则,提出了考虑拟弹性塑性变形的土体弹塑性本构模型,把传统不可恢复的塑性应变增量分解为具有弹性应变特性的拟弹性部分和纯塑性部分。拟弹性部分遵从弹性法则,并与应力增量有相同的方向,采用弹性模型表示;纯塑性部分遵从传统塑性理论的假设,方向具有唯一性,可以采用符合塑性理论的假设来建模。这样分解后建立的模型将更为合理和简便,又可以解决土的塑性应变增量方向存在非唯一性的问题。最后通过与试验结果的对比证明了其可行性,对试验结果可得到效果更好的模型。     

适用于弹黏塑性本构模型的修正切面算法

针对弹黏塑性本构模型将原始切面算法进行了修正。该弹黏塑性本构模型结合了修正剑桥模型和过应力理论。首先对弹黏塑性本构模型的应力-应变关系式进行了调整,基于过应力理论给出了动态加载面硬化参数的演化方程。其次,利用切面算法对整理后应力-应变关系式进行了数值实现。在弹性试算过程中,该算法假设黏塑性应变率为常数,以此确保时间增量引起的当前应力点与动态加载面间的偏离。在塑性修正过程中,对动态加载面函数进行泰勒级数展开,依此获得黏塑性应变率增量。再次,提出了一种自动分步方法,有效地稳定了大应变步情况下算法的计算精度和收敛性。最后,对变应变率的固结试验和三轴剪切不排水试验进行了模拟,分析了修正切面算法的计算能力。     

不同配筋率钢筋混凝土柱应变率效应

混凝土是一种率敏感性材料,正确把握应变率效应对钢筋混凝土构件在强震等动力荷载下力学性能的影响,对结构抗震和抗风设计至关重要。采用CEB规范建议的考虑混凝土应变率效应的动力本构关系,运用纤维模型对钢筋混凝土柱在不同加载速率下的动力性能进行了数值模拟。对4个钢筋混凝土柱构件的快速加载试验的试验结果与模拟结果进行比较,结果表明所建立的纤维单元模型能够较好预测混凝土柱恢复力特性,验证了基于动力本构的纤维单元模型的有效性。基于此模型,研究了不同纵向配筋率和体积配箍率对钢筋混凝土柱动力性能的影响,结果表明纵向配筋率和体积配箍率对动力性能的影响呈现出不同的特征。     

基于梁式试验法的CFRP布与钢材界面-动态粘结性能研究

针对碳纤维增强复合材料（CFRP）加固结构构件常发生界面过早剥离破坏的问题,进行了4个粘贴CFRP布试件的冲击试验和2个静力对比试验,主要研究CFRP与钢材界面动态粘结性能。从界面的破坏形态、CFRP应变分布以及荷载 滑移曲线等方面,对冲击荷载和静力荷载下CFRP与钢材界面动态粘结性能进行了对比分析。在试验的基础上,提出了基于梁式试验法的局部粘结应力 滑移本构关系计算方法。结果表明:冲击荷载下CFRP应变分布曲线与静力荷载下相比更加陡峭;界面极限动态承载力有所提高。     

FRP约束木柱轴心抗压性能的弹塑性分析方法

进行了FRP(环向)约束木柱的轴心抗压性能试验,结果表明,FRP约束木柱可提高木柱的抗压承载力,改善木柱的延性,使木柱轴向极限抗压强度提高达15%左右.在Tsai-Wu强度准则的基础上,建立了三向受压木柱的屈服准则及屈服发展方程.根据内力平衡和应变相容的原理,提出了FRP约束木柱在轴心受压时的增量应力-应变计算模型;根据FRP约束木柱受压破坏机理,即达极限应力时,FRP中的拉应变远小于其极限拉应变,提出了FRP约束木柱在极限抗压强度时的应力-应变计算公式,并将之作为计算模型程序运算的结束条件;极限抗压强度之后的FRP约束木柱应力-应变曲线接近水平线,可近似为理想塑性.试验结果表明,所建计算模型精度较好.     

木材非线性受力行为的表征方法研究进展

木材非线性受力行为的表征方法对木结构构件和节点受力行为的有限元分析具有至关重要的影响。为此,从木材失效行为的判别依据和材料本构模型两方面对该领域的研究进展进行了梳理总结。结果表明,已有的强度准则各有其局限,难以全面地反映木材复杂的失效行为。在数值模拟中常需要结合不同强度准则以提高预测模型的计算精度。弹塑性本构模型能够合理反映木材在压应力作用下的硬化行为,并且能够描述木材出现的残余变形,但该模型难以描述木材在拉应力和剪应力作用下的刚度退化和强度软化行为。弹性损伤理论可在一定程度上反映材料的软化行为和反复加载过程中的刚度退化行为,但该理论不能考虑材料的塑性变形。基于上述理论建立的黏聚区单元的初始刚度和相邻单元长度对计算结果具有显著的影响。三维弹塑性损伤模型已经被应用于木结构构件和螺栓连接节点的有限元分析中,此类模型能有效反映构件和节点区域木材的损伤演化规律。随机损伤本构模型和非局部化损伤模型是未来的发展趋势。     

Visko‐elastisches Verhalten von Holz‐Klebstoff‐Verbindungen unter zyklischer Zug‐Druck‐Belastung

Visco‐elastic behavior of bonded wood under cyclic tensile and compression loading In the present contribution, a test method is used to simulate the static, cyclic loading of adhesive joints due to swelling and shrinking of the wood and to demonstrate the plastic deformation in the low load range. For tensile shear specimens prepared from beech wood and bonded with three different adhesives (MUF, PRF, PUR), the elastic behavior under cyclic tensile and compression loading was investigated and the loss and storage of energy was determined. All tested adhesives showed viscose parts even at a very low load level of 3 MPa. At a load level of 7 MPa, the PRF joints revealed a more elastic behavior than the other. The increased loss energy determined for the PUR bonding indicates a softening of the adhesive joint.     

基于非线性运动硬化模型的饱和黏土桩基础竖向循环弱化数值分析

针对饱和黏土的循环弱化特性,在商用有限元软件的基础上,建立了基于非线性运动硬化准则的饱和黏土循环弱化模型,在各向同性的硬化准则中引入了以等效塑性变形为变量的弱化规律,采用非线性运动硬化准则描述土体的循环滞回特性,同时考虑土体刚度的弱化。通过与饱和黏土单向循环三轴试验结果对比,验证了该模型的有效性。应用本模型,对竖向循环荷载作用下的单桩进行了二维有限元数值模拟,研究了不同循环荷载水平、不同循环次数、在不同土体刚度指数的地基中单桩竖向承载力的弱化情况。最后通过对有关文献模型试验的模拟对比验证了该数值方法的有效性。     

循环受压状态下钢纤维混凝土一维弹塑性损伤本构模型研究

设计制作36个钢纤维混凝土试件,通过单轴循环受压试验,研究钢纤维混凝土循环受压性能,分析钢纤维特征参数对其影响,在此基础上,参考《混凝土结构设计规范》（GB 50010―2010）,建立了钢纤维混凝土循环受压弹塑性损伤本构模型。结果表明：钢纤维混凝土试件在循环荷载下破坏特性呈现明显延性特征;钢纤维的掺入显著提高混凝土峰值强度,改善其延性及滞回能耗;钢纤维混凝土循环受压应力-应变曲线包络线与单调荷载下应力-应变曲线近似一致;相同卸载点应变时,混凝土累计塑性应变随钢纤维掺量增加而逐渐减小。该文提出的本构模型能较好地反映钢纤维混凝土在循环荷载下的应力-应变关系以及损伤演化过程,可为钢纤维混凝土的工程应用和相关规程的修订提供参考。     

饱和砂土弹塑性动力本构模型研究

利用土体的塑性流动理论,提出了基于SMP破坏准则的土体弹塑性动力本构模型,用于描述饱和砂土的动力反应性质。土体总的变形由3个部分组成:弹性应变、与体积屈服机制相关的塑性应变和与剪切屈服机制相关的塑性应变。土体在初始加载与卸载和重新加载阶段性质的差别通过采用不同的模型参数加以反映。通过将应用该模型模拟计算的结果与试验结果进行对比,表明该模型能够较为准确地描述饱和砂土在循环加载条件下的反应性质,具有较少的模型参数,这些参数都可以通过常规的三轴压缩试验和静水压力试验进行确定。同时,该模型的形式比较简单,可用于数值计算中。