钢筋混凝土梁冲击试验数值模拟研究

摘要: 采用弹塑性损伤帽盖模型对筋混凝土梁冲击试验进行了数值模拟,数值模拟得到的碰撞力、梁体跨中挠度以及梁体破坏状况与实验情况吻合较好。在此基础上讨论了混凝土材料应变软化段、描述塑性体积的帽盖面、强度准则子午线形状、偏平面形状以及钢筋混凝土结构建模方式对冲击数值模拟的影响。     

热压釜成型复合材料波纹梁工艺工时估算

成本估算是目前复合材料领域开发研究的关键问题之一,而工艺工时估算又是制造成本估算的核心。本文中建立复合材料制造工艺工时估算模型,以热压釜成型复合材料波纹梁为研究对象进行理论分析和实验研究,给出此估算模型中估算变量和方程参数的确定方法并应用最小二乘法将所得数据进行拟合,其结果与实验结果基本一致。介绍了估算模型中参数随制件曲度变化的修正方法,为实现不同结构设计的工时估算提供指导。     

纤维增强复合材料层板高速冲击损伤数值模拟

推导了复合材料应变率相关三维本构关系, 并将其用于复合材料层板高速冲击损伤的数值模拟。该模型在复合材料层间引入界面单元模拟层间分层, 结合三维Hashin失效准则进行单层板面内损伤识别, 引入材料刚度退化, 采用非线性有限元方法, 研究了复合材料层板高速冲击的破坏过程及层板的损伤特性。数值分析结果表明, 剩余速度预报结果与实验结果吻合较好, 层板的主要损伤形式是层间分层、 基体微裂纹和纤维断裂, 减小弹体直径、 增大铺层角度和层板厚度能够有效降低层板损伤面积。      

纤维增强复合材料层板高速倾斜冲击损伤数值模拟

根据复合材料三维黏弹性本构关系,建立了纤维增强复合材料层板高速倾斜冲击损伤的数值分析模型.该模型在复合材料层间引入界面单元模拟层间分层,结合三维Hashin失效准则进行单层板面内损伤识别,引入材料刚度折减方案,采用菲线性有限元方法,研究高速倾斜冲击下复合材料层板的破坏过程和损伤特性.研究结果表明:层板的主要损伤形式是层间分层、基体微裂纹和纤维断裂;冲击速度不变而入射角度增大时,剩余速度减小,层板损伤面积在一定入射角度范围内有明显变化;入射角度不变而冲击速度增大时,剩余速度增大,层板损伤面积在一定速度范围内也有明显变化.     

纤维增强复合材料层板高速倾斜冲击损伤数值模拟

根据复合材料三维黏弹性本构关系, 建立了纤维增强复合材料层板高速倾斜冲击损伤的数值分析模型。该模型在复合材料层间引入界面单元模拟层间分层, 结合三维Hashin失效准则进行单层板面内损伤识别, 引入材料刚度折减方案, 采用非线性有限元方法, 研究高速倾斜冲击下复合材料层板的破坏过程和损伤特性。研究结果表明: 层板的主要损伤形式是层间分层、 基体微裂纹和纤维断裂; 冲击速度不变而入射角度增大时, 剩余速度减小, 层板损伤面积在一定入射角度范围内有明显变化; 入射角度不变而冲击速度增大时, 剩余速度增大, 层板损伤面积在一定速度范围内也有明显变化。     

2.5D机织复合材料压缩性能实验与数值模拟

为了研究2.5D机织复合材料的压缩损伤和失效机制,验证双尺度渐进损伤有限元数值模拟方法的有效性,对这类复合材料分别沿经纱方向和纬纱方向进行了准静态压缩实验,获得了其相应的应力-应变曲线,并测定了材料的初始弹性模量和极限强度。在此基础上,利用双尺度渐进损伤有限元数值方法模拟分析了材料的压缩应力-应变响应和损伤演化行为,取得了与实验吻合较好的模拟结果。结果表明:2.5D机织复合材料在纬向压缩下的主要失效模式是纬纱的轴向压溃与断裂,可获得相对较高的压缩强度;但在经向压缩下,经纱因弯曲会承受附加弯矩作用,从而对周围基体造成挤压,故在经纱轴向断裂之前容易出现经纱之间基体的压溃和纱线之间的分层开裂,使强度降低,不利于发挥纤维的承载优势。     

TiCp/W复合材料热冲击损伤行为的数值模拟

为了揭示TiC颗粒增强的钨基复合材料（TiCp/W)高温下的失效规律,采用有限元方法从宏观和微观两个方面对该复合材料在氧乙炔冲击中的损伤行为进行了数值模拟,模拟结果表明,复合材料试样宏观损伤行为是裂纹在试样周边萌生,沿径向向心部扩展,微结构损伤行为是微裂纹在TiCp/W界面附近产生,而生在基体中扩展,TiC颗粒含量越高,复合材料超易损伤。TiC颗粒没有阻止裂纹扩展的作用,在基体中增加TiC反而会降低材料的抗热冲击性能。复合材料非稳态温度场的模拟结果,材料的宏观与微观损伤行为的模拟结果都与实验结果吻合。     

缝合复合材料层板低速冲击损伤数值模拟

建立了缝合复合材料层板在低速冲击载荷下的渐进损伤分析模型。模型中采用空间杆单元模拟缝线的作用;采用三维实体单元模拟缝合层板,通过基于应变描述的Hashin准则,结合相应的材料性能退化方案模拟层板的损伤和演化;采用界面单元模拟层间界面,结合传统的应力失效判据和断裂力学中的应变能释放率准则判断分层的起始和扩展规律。通过对碳800环氧树脂复合材料（T800/5228）层板的数值仿真结果和试验结果相比较,验证了模型的正确性,同时讨论了不同冲击能量下缝合层板的损伤规律。研究结果表明：缝线能够有效地抑制层板的分层损伤扩展;相同冲击能量下缝合与未缝合层板的基体损伤和纤维损伤在厚度分布上相似,缝合层板的损伤都要小于未缝合层板。     

低速冲击下复合材料圆柱壳的简化分析

将圆柱壳受轴向冲击破坏等效为一均质圆柱的破坏, 给出了等效参数的确定方法, 从而使圆柱壳的破坏分析简化为一维问题。并根据弹性动力学基本理论给出了等效圆柱受的冲击力的一种计算方法, 进一步得到了冲击下的圆柱壳的位移关系。      

钢筋混凝土梁动态试验与数值模拟

试验研究、数值模拟地震作用范围内加载速率对钢筋混凝土梁影响。考虑混凝土强度、钢筋强度、剪跨比、加载速率及加载模式等对钢筋混凝土梁力学及变形性能影响;基于ABAQUS有限元软件建立钢筋混凝土梁计算模型,考虑钢筋、混凝土的率敏感性,对梁试件在不同工况下动态性能进行数值模拟;模拟结果与试验结果吻合较好。     

GF/PCBT复合材料熔融连接接头失效分析的实验研究与数值模拟

为了解决高黏度热塑性树脂难以制备高强度、大尺寸纤维增强热塑性复合材料构件的问题,采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺与热压工艺相结合的方法,以环状对苯二甲酸丁二醇酯(CBT)在催化剂作用下聚合成的聚环状对苯二甲酸丁二醇酯(PCBT)为基体,制备了纤维体积分数达70%的连续玻璃纤维(GF)/PCBT复合材料层合板及熔融连接件,并测得其力学参数。采用数值模拟方法对连接界面层数分别为1、2、3层的A、B、C型3种不同方案的GF/PCBT复合材料熔融连接接头的承载能力和失效模式进行了预测。结果表明:不同的结构设计方案对GF/PCBT复合材料接头性能的影响较大,当连接长度在一定范围内时,接头区域主要发生界面分层失效,接头处复合材料的翘曲为界面裂纹加速扩展的主要因素,C型连接方式的接头结构承载能力相比于A型连接方式有明显提高;增加C型接头连接长度,试件承载能力提高,直至接头处界面分层失效和纤维、基体失效同时发生;继续增加连接长度,纤维与基体失效将成为接头区域的主要失效模式,此时承载能力无明显提升。     

导管低温隔热材料低温热导率测试与数值模拟研究

对导管泡沫隔热材料低温热导率进行了实验和数值模拟研究,介绍了绝热材料低温热导率测量装置,并给出了绝热材料测试结果.通过对泡沫保温材料进行合理的简化,建立了数值模拟的物理模型和数学模型,运用FLUENT数值计算软件计算其导热系数,在液氮温度数值模拟结果与实验结果良好吻合,分析了气孔尺寸、气孔率对导热系数的影响,由此得出对泡沫多孔绝热材料研制工艺、配方和实验的建议.     

树脂传递模塑过程的数学描述和数值模拟进展

树脂传递模塑(resin transfer molding,RTM)过程的数值模拟对于优化工艺参数和模具设计、控制制品质量等具有重要意义.本文简述了RTM工艺的流体流动特点,介绍了RTM工艺过程数值模拟的理论基础,综述了RTM工艺过程数值模拟的发展历程,并展望了其发展趋势.     

风致飞掷物冲击建筑浮法玻璃试验和数值模拟

通过试验和有限元数值模拟的方法研究风致飞掷物对建筑浮法玻璃的冲击破坏效应。首先进行钢球冲击浮法玻璃面板的破坏试验,然后基于LS-DYNA建立与试验对应的飞掷物冲击浮法玻璃有限元模型,并通过对比试验和数值模拟的结果验证有限元模型的可靠性。最后基于验证后的有限元模型,以板状飞掷物为代表,研究风致飞掷物的冲击位置、冲击姿态和外形等特性对其冲击效应的影响。结果表明,建筑浮法玻璃在风灾中非常容易受到飞掷物的冲击而破坏。采用JH-2作为浮法玻璃的本构模型并以SIGP1=75 MPa作为失效准则,能够较准确地模拟浮法玻璃在冲击荷载下的破坏特性。板状飞掷物的冲击位置对其冲击效应影响不大,但其冲击姿态和边厚比对冲击效应有较大的影响。     

基于ANSYS环境的平面编织层合板拉伸破坏数值仿真

以ANSYS为平台编制了具有可移植性的APDL程序, 建立了损伤累积模型, 对平面编织层合板的损伤破坏行为进行了数值仿真。该模型对适合于单向铺层的Hanshin判据和Reddy刚度衰减方法进行了相应的修正。为验证模型的有效性, 对G803/5224平面编织光滑板、 孔板进行了相应的试验研究。结果表明, 该模型仿真结果与试验结果吻合, 并且比较简单直观, 为平面编织层合板的损伤扩展与破坏的研究提供了便于工程应用的数字化手段。      

接头局部增强的复合材料层合板螺栓连接试验与数值模拟

采用真空辅助成型工艺（VARI）制备了四种局部增强的复合材料层合板螺栓连接试件，通过试验及数值模拟对其力学性能进行了研究。数值研究中将复合材料层合板连接件的拉伸作为一个准静态问题，运用ABAQUS的显示分析算法及所编写用户材料子程序VUMAT对连接件进行了三维渐进失效模拟，同时在有限元模型中采用内聚力单元模拟了层合板与所设增强层的界面分层失效。数值计算结果与试验结果取得了较好的一致，验证了本文中数值方法的有效性。研究结果表明，不同的局部增强方案对复合材料螺栓连接性能的影响较大，设置[0/90/0/90]_S铺层的内置纤维增强层能显著提高层合板的螺栓连接性能。     

基于材料性能时变特性的复合材料固化过程多场耦合数值模拟

针对热固性树脂基复合材料固化过程中各种复杂的物理化学变化之间的相互影响,建立了基于材料性能时变特性的复合材料固化过程的二维多场耦合计算模型。该模型由已知的3个经典复合材料固化过程子模型构成,包括热-化学模型、树脂黏度模型和树脂流动模型。在此基础上,将固化过程中材料性能的时变特性引入多场耦合计算模型中。通过与文献中实验结果的比较,证明了所建立的模型具有较高的可靠性。对AS4/3501-6复合材料层合平板的固化过程进行了数值模拟,重点研究了固化过程中纤维体积分数变化及材料参数的时变特性对固化过程中温度、固化度和树脂压力等参量的影响。分析结果表明:考虑纤维体积分数变化和材料性能的时变特性后,固化过程中复合材料层合板中心温度峰值明显减小,树脂压力随时间的变化将有所滞后。     

L形复合材料层板热压工艺密实变形过程的数值模拟

基于 Biot 固结原理和达西定律 , 建立了二维树脂流动与纤维密实模型 , 采用有限元方法实现了 L 形层板热压成型过程树脂压力分布、 层板变形的预测。通过对 AS4 炭纤维/环氧 350126 等厚层板厚度变化的模拟结果与实验数据的对比分析 , 证明了数学模型和有限元程序的可靠性。以阳模成型 90° 铺层 S22玻璃纤维/环氧 648L 形层板为例 , 对工艺过程层板厚度变化进行了分析。模拟结果表明 : 剪切模量对拐角以及拐角与平板过渡区域的变形影响较大 ; 平板长度对拐角区域变形影响较明显 , 对平板区的变形影响较小。采用热压罐制备了 90° 铺层S22玻璃纤维/环氧 648阳模成型 L 形层板 , 实验数据表明 , 固化后层板呈现拐角区厚、 平板区薄的厚度不均现象 , 并且平板长度对拐角区厚度变化影响较显著 , 这与数值预测结果具有较好的一致性。