强冲击荷载作用下混凝土材料动态力学特性及本构模型

基于连续损伤力学理论、统计细观理论和Perzyna黏塑性本构方程, 构造了一个塑性与损伤相耦合的本构模型来描述混凝土材料在强冲击载荷作用下的应力-应变响应特性. 在该模型中假设: 1) 宏观上混凝土材料是一个均匀连续体, 而从细观分析其内部则包含了大量随机分布的微裂纹和微空洞等损伤缺陷; 2) 混凝土材料的损伤演化是由其内部拉伸应力作用下微裂纹扩展的累积而引起的, 导致了材料强度和刚度的弱化; 3) 随着微空洞的塌陷, 混凝土材料内部产生了不可恢复的塑性变形, 体积模量也相应增加, 将这一过程看作是微空洞损伤的演化发展; 4) 微裂纹和微空洞损伤之间不发生相互作用; 5) 当裂纹扩展累积到一定程度时, 混凝土材料发生粉碎性破坏. 利用实验结果确定模型所需参数, 并将利用该模型得到的模拟曲线与实验测试曲线进行比较, 结果表明两者较一致.     

强冲击载荷下氧化铝陶瓷破坏特性的数值模拟及实验研究

利用一级轻气炮对氧化铝陶瓷靶板进行平板撞击实验,采用VISAR测量系统获得了陶瓷试件自由面运动速度历史和Hugoniot弹性极限;拉氏实验中采用锰铜压阻传感器测量得到靶板内的应力时间曲线;结合实验数据,得到了压力（应力）比容关系,拟合了氧化铝陶瓷Hugoniot曲线;Hugoniot曲线在在低压下具有典型的弹塑性形变过程,高压下才进入类流体形变过程,低压区与高压区的转折点大约在11.4GPa.利用非线性动力学有限元软件建立计算模型,选用合适的模型参数,模拟了陶瓷靶在高速冲击下的动态破坏过程,给出了不同时刻靶板的变形特征和不同冲击速度下靶板内的应力波形曲线,与实验曲线有较好的一致性;并分析了碰撞过程中陶瓷靶的破坏形态及其破坏机理.     

细片层状微结构珠光体材料损伤本构关系

基于非经典塑性理论和连续介质损伤力学,在已有的具有细片层状微观结构珠光体团的弹塑性本构方程的基础上,采用Gurson模型考虑铁素体相的孔洞型损伤,建立了基于有限大椭球体中含椭球形孔洞的细观损伤模型,得出了混合强化材料的损伤演化率,将其嵌入铁素体相的本构描述,得到了珠光体团的损伤本构模型.进而采用Hill自洽方法,得到了珠光体材料的宏观损伤本构描述,发展了相应的数值方法与程序.对典型珠光体双相材料BS11在复杂加载史下的响应特性进行了分析,并对BS11在典型轮轨接触摩擦应力状态下的响应特性与损伤进行了分析.文中工作对于揭示珠光体材料损伤宏观响应特性的微结构机理,以及发展此类复相材料的损伤本构理论具有重要的意义,并具有重要的工程应用背景.     

混凝土内时损伤本构模型

应用内时理论和损伤力学建立了混凝土内时损伤本构模型。该模型的特点是：混凝土的弹塑性特性由内时理论描述，而微裂缝由损伤力学来描述。前者使本构模型摆脱了一般弹塑性模型中的屈服面的概念，从而简化了非线性计算过程；后者使微裂缝引起的软化、休积膨胀等效应都可由损伤变量来考虑，从而既反映了混凝土的本质特性，又使模型的参数和基本方程大大减少。应用本文建议的本构模型于各种实例分析中，所得计算结果与试验结果符合较好。     

混凝土动力随机损伤本构关系

考虑混凝土中的水对材料率敏感性的影响,引入包含黏性元件和弹性元件的细观模型,推导建立了混凝土动力损伤模型.将动力损伤模型引入到随机损伤理论的框架内,建立了能够描述单调加载与反复加载条件下混凝土力学行为的一维随机动力损伤本构关系.基于实验结果,对模型进行了系统的验证.结果表明,模型能够较好地再现混凝土的典型非线性特性,包括软化、残余应变以及率敏感性,可以应用于实际结构的非线性全过程分析.     

混凝土冻融损伤后双轴受力下的脆弹性损伤本构模型

针对普通混凝土受冻融循环损伤作用后,其力学行为不仅依赖于混凝土基体的行为,而且与冻融循环次数有关的特性,以冻融循环作用后混凝土试件在双轴压加载条件下的应力-应变关系曲线为研究对象,考虑到混凝土主压向应变会受到次压向有效应力影响的特点,建立了基于损伤力学理论和热力学原理,并考虑了双轴压应力比影响的普通混凝土双轴压损伤本构模型,与冻融循环作用后普通混凝土在双轴压加载条件下测得的应力-应变关系的试验曲线进行了对比分析.研究结果表明:所建立的普通混凝土双轴压损伤本构模型,可以较好地描述冻融循环作用后普通混凝土在双轴压加载条件下的本构关系.     

循环荷载作用下沥青混合料的黏弹塑性损伤本构模型

为较好描述损伤状态下沥青混合料的黏弹塑性应力-应变关系、明确动态循环荷载对其损伤本构关系的影响,利用经典黏弹塑性流变理论,在Burgers黏弹性模型上串联一个黏塑性元件,并根据损伤力学应变等效原理,建立了一个能体现动态循环荷载作用特点及能考虑加载频率影响的沥青混合料黏弹塑性损伤本构模型.同时进行间接拉伸疲劳试验,研究加载频率、环境温度、应力水平、沥青用量及沥青种类对混合料应力-应变关系的影响,并标定模型参数、验证模型的有效性.结果表明:所建模型不仅能较好描述沥青混合料在动态循环荷载作用下的损伤本构关系,还能体现加载频率、环境温度及荷载水平等因素对应力-应变关系的影响;模型参数意义明确、规律性强,值得进一步研究和推广.     

混凝土单轴受力损伤本构模型

为了建立一种新的单轴受力下混凝土损伤本构模型,应用损伤力学理论,假设混凝土卸载刚度与初始刚度的比值和混凝土卸载后剩余的弹性应变能与总应变能的比值在数值上是一致的,由此将弹性模量损伤和能量损伤结合为一体,通过数值方法可确定混凝土单轴受力损伤变量的具体数值.在已有不同强度等级混凝土单轴受力的应力一应变全曲线统一计算方法的基础上,通过数值积分和拟合回归,建立了单轴应力状态下混凝土损伤演变方程和损伤本构模型.结果表明:该模型可描述混凝土单轴循环加载受力状态下的力学特性,与混凝土单轴受力试验结果吻合较好;该研究成果可望进一步应用于反复加载下混凝土结构非线性有限元分析中.     

基于压缩载荷下微裂纹扩展的微观力学岩石弹塑性损伤模型研究

建立基于微裂纹扩展的岩石弹塑性损伤微观力学模型。压缩载荷下微裂纹尖端翼裂纹稳定扩展表征岩石的微观损伤,基于应变能密度准则用Newton迭代法求复合型断裂的翼裂纹扩展长度,并采用微裂隙统计的二参数Weibull函数模型反映绝对体积应变对微裂纹分布数目影响,进而用翼裂纹扩展所表征的应力释放体积和微裂纹数目来表示含有微裂隙的岩石损伤演化变量;宏观塑性屈服函数采用Voyiadjis等效塑性应变的硬化函数,反映塑性内变量对硬化函数的影响;建立岩石的弹塑性损伤本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制弹塑性损伤模型的程序。分析弹塑性损伤模型的基本特性和围压对岩石损伤的影响,并从围压和短微裂隙长度等因素分析弹塑性损伤模型的岩石的损伤和宏观塑性特性。以2个单轴压缩岩石试验为例验证该模型。结果表明:所提出的弹塑性损伤模型与数值和试验结果比较吻合。     

拉伸损伤细观机理的弹性力学分析

损伤力学有2个主要分支：连续损伤力学和细观损伤力学.在连续损伤力学理论中,许多学者采用引入损伤变量到材料的本构方程中的办法,来反映材料的不可逆变化过程,这种方法在工程应用中具有简单实用的优点,但损伤变量的物理意义不是特别清晰,而且难以找到拉伸损伤变量和剪切损伤变量之间的联系,往往是只能建立两者各自独立的损伤演化方程.在弹性力学理论中利用复变函数方法能求出材料在给定的受力状态下的位移场,在此基础上,可分析平面应力条件下含一条微裂纹的单元体边界处和裂纹面上的位移场,通过平均化的方法,得到单元体的平均线应变,进一步分析这种线应变与单元体中裂纹的几何尺寸之间的关系,再利用弹性拉伸本构关系,就可得到脆性和准脆性材料弹性拉伸损伤的细观描述.这种方法已经分析了弹性剪切损伤的细观机理,对进一步建立含有随机裂纹材料的宏细观相结合的损伤理论是很有意义的.     

考虑残余变形影响的混凝土疲劳损伤本构模型

从分析混凝土材料的基本损伤机制出发,考虑疲劳荷载作用下混凝土的损伤累积和残余变形,推导了由Helmholtz自由能表示的混凝土本构方程,根据变分原理建立了基于能量的混凝土疲劳损伤本构模型.并根据疲劳过程中残余变形的发展规律,定义了物理意义明确的残余变形影响因子,并将其与混凝土变形模量损伤因子一同融入混凝土疲劳损伤本构模型中,为混凝土疲劳行为的计算机分析提供了一种更为精确、简化的混凝土疲劳本构模型.试验数据和数值算例的对比误差不超过3%,从而验证了该模型的准确性与适用性.     

多次爆破作用下巷道围岩累积损伤演化与破裂特征

为研究多次爆破作用下巷道围岩累积损伤演化与破裂特征,建立考虑扰动效应的时效损伤本构模型.二次开发扰动效应的时效损伤本构模型,并建立数值模型验证了开发程序的正确性.将本构模型应用于深部巷道多次爆破开挖的数值模拟中,研究围岩累积损伤演化特征与破裂特征.结果表明：地应力对巷道围岩爆破累积损伤有抑制作用,地应力越大,抑制作用越明显;围岩的损伤程度随爆破扰动次数的增加呈现非线性累积特征,围岩损伤范围也随着爆破荷载作用次数的增加而扩大;巷道围岩近区在多次爆破荷载作用下损伤严重,巷道围岩表层出现破裂现象.     

岩石损伤本构模型研究

基于应变强度理论和岩石微元强度服从幂函数分布的假定,利用统计损伤力学的理论,建立了岩石破坏过程中的损伤统计本构模型,并引用试验资料对模型进行了验证。验证结果表明:模型理论曲线与试验实测曲线具有较高的吻合度,所建模型能够比较好的反映岩石在三向压力作用下的应力—应变关系和岩石强度变化特征,说明本文所建立的模型是合理的。     

初始温度条件下全尾胶结膏体损伤本构模型

膏体充填料到达采场初始温度不同是矿山存在的普遍现象,不同初始温度条件下膏体力学特性及应力-应变关系直接影响到矿山采充周期及相邻采场开采时贫化指标.通过对初始温度为2、20、35和50℃的硬化膏体进行单轴抗压强度试验,获得不同初始温度下充填体应力-应变演化曲线.根据理论推导和试验结果,建立了不同初始温度下膏体损伤本构模型,通过本构模型参数回归,提出膏体温度-时间耦合损伤本构模型.最后,采用Comsol数值模拟软件,将温度-时间耦合损伤本构模型嵌入solid mechanics模块,对单轴抗压试验进行数值模拟,模拟应力-应变曲线与试验结果较为吻合,验证了所提出本构模型的可靠性.     

钢框架梁局部屈曲损伤描述材料本构分析

在罕遇地震分析中,考虑构件的损伤退化特征对提高杆系模型的计算准确性显得尤为重要,因此,如何利用有限元准确地模拟构件局部屈曲的退化现象是进行参数分析并提取退化模型的重点所在,而钢材的本构关系则是其中的基础.采用通用有限元软件ABAQUS,对比分析不同本构模型的计算结果与典型局部屈曲退化试验结果,提出能够准确计算循环荷载下局部屈曲退化行为的钢材本构模型.在校准模型的基础上,通过参数分析,探讨影响构件局部屈曲损伤退化的因素,提出不同控制因素下损伤退化规律,为提出考虑损伤退化的杆系模型提供有力的工具.分析结果表明:翼缘宽厚比、强屈比以及腹板高厚比会一定程度影响局部屈曲退化现象,其中翼缘宽厚比对其最终退化程度有明显影响,但屈服强度对退化过程影响不大.     

基于改进Sargin方程和过-徐模型的混凝土三维损伤模型

利用混凝土已有本构关系建立混凝土三维损伤模型.针对基于Ottosen本构关系建立的损伤模型中的不足之处,提出基于改进Sargin方程和过-徐模型建立混凝土三维损伤模型的方法.该方法利用改进的Sargin方程作为混凝土三维应力状态的等效单轴方程,基于等效单轴方程的割线弹性模量的下降率定义损伤指标,对典型比例加载情形全过程进行损伤计算.与Mazars、Ottosen损伤模型进行对比,该模型更符合试验结果,更能够描述不同加载比例下的损伤.     

考虑应变率效应的混凝土疲劳损伤本构模型

基于边界面概念和连续损伤力学理论,建立了由应变控制的混凝土拉、压疲劳损伤本构模型.在此基础上,通过对应变能释放率Perzyna黏性规则化来考虑混凝土的应变率效应,从而获得了可以研究材料静力、动力和疲劳特性的统一混凝土疲劳损伤本构模型,并用C＋＋语言编程对考虑应变率效应的混凝土本构关系和试验实例进行了计算和比较,结果表明该模型能较好地模拟混凝土应变率效应.     

TC18钛合金多次冲击损伤演化规律

为了探究TC18材料在多次冲击下的损伤演化规律,参考夏比冲击标准设计了三点弯冲击试验件,开展了多次冲击试验。通过动态拉伸试验以及两个应变水平的低周疲劳试验获得了TC18材料的Johnsonson-Cook本构模型、Lemaitre损伤模型中的材料参数,引入修正因子改进了Lemaitre损伤模型,并编写了子程序,基于Johnson-Cook本构模型和改进的Lemaitre损伤模型对试验件进行了多次冲击数值仿真。结果表明,采用改进的Lemaitre损伤模型的有限元仿真结果与试验结果符合较好,TC18材料在多次冲击下损伤变化呈现两个阶段——缓慢累积和迅速增长。     

岩石损伤软化统计本构模型

假定岩石微元强度服从Weibull分布,Hoek-Brown强度准则作为岩石微元统计分布变量,利用等效应变假说,经过严格的数学推导,得到了岩石在三维应力作用下的损伤统计本构模型,并用试验资料对模型进行了验证.验证结果表明:模型理论曲线和试验曲线具有较高的吻合度,能够比较好地反映应变软化型岩石的应力—应变关系和破坏的全过程.从而证明了该模型的合理性和可行性,具有广泛的应用前景.