混凝土SHPB束杆试验的数值模拟

利用Ansys/Ls-dyna有限元软件对混凝土SHPB束杆试验进行了数值模拟研究.获得了砂浆混凝土的部分HJC本构模型参数,在此基础上模拟了试验过程中的应力波信号、试件的应力应变曲线和破坏形貌变化过程,模拟结果与实测结果有良好的吻合性.研究表明,获得的HJC模型参数是可信的,并分析了模拟冲击过程中试件内部应力、应变和破坏形貌的变化.     

再生混凝土动态冲击性能

再生混凝土技术实现了建筑资源循环和建筑垃圾治理难的问题。目前再生混凝土在框架节点抗震、装配式建筑、钢混结构等方面应用较为广泛,然而在防护工程方面的研究相对较少。本文在现有的再生混凝土SHPB试验基础上,采用动力有限元软件LS-DYNA对再生混凝土的冲击压缩性能进行了数值模拟研究,选用HOLMQUIST-JOHNSON-COOK模型作为再生混凝土的本构模型,根据试验结果标定了本构模型参数,在此基础上进行了拓展工况研究,并建立了再生混凝土DIF计算模型,研究结果表明：HJC模型能够较为准确地模拟再生混凝土在高应变率下的动态压缩力学性能;CEB推荐的DIF计算模型不适用于再生混凝土,本文建立了新的DIF计算模型;应变率为71.7 s-1时,试件开始出现轻微损伤,应变率达到200 s-1后,试件呈现粉碎性破坏。     

钢纤维混凝土冲击性能的有限元研究

为研究钢纤维混凝土在不同应变率冲击作用下的力学性能,利用ANSYS几S-DYNA有限元软件,采用Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构对SHPB实验进行模拟研究,通过与实验研究结果对比得出,数值模拟得出的应力波图和应力-应变曲线图与实验结果吻合度较好,且峰值应力误差不超过3.68％.同时对试件承载过...     

混凝土材料SHPB主动围压实验的数值模拟

文章利用LS-DYNA软件,采用混凝土HJC动态本构模型,对Φ74mm分离式变截面霍普金森压杆主动围压实验做了数值模拟;通过在试件径向施加恒定压力的方法模拟主动围压的作用,试件单元的压力时间历程曲线显示该方法可以获得恒定、均匀的围压值,即该方法可以对SHPB主动围压实验进行合理的模拟;利用上述主动围压模拟方法对混凝土材料主动围压下的力学性能进行了研究,模拟时采用弥散较小的三角形速度波加载,并利用波形良好的入射波、透射波重构了混凝土的应力应变曲线,重构结果显示混凝土材料在围压作用下力学性能发生变化,混凝土峰值应力、峰值应力对应的应变、韧性都随围压的增大而增加,与理论结果相符。     

气体炮冲击高强混凝土试验的数值模拟

采用一级气体炮和锰铜压力计测试技术,对C100级混凝土试件在一维应变条件下的冲击特性进行了实验测量,通过数值模拟得到了混凝土的高压状态方程参数,研究了混凝土的动态力学性能.由于冲击过程非常短暂,层裂往往发生在试件内部,导致层裂现象很难观测到,通过数值模拟,文章展现了试验没有观测到的层裂现象.     

基于不同材料模型的混凝土SHPB试验数值模拟

为了分析不同材料模型对混凝土分离式霍普金森压杆(SHPB)试验数值模拟结果的影响,在LS-DYNA软件中分别运用KC,HJC,CSC三种材料模型对混凝土的SHPB试验进行模拟.利用脉冲整形器对入射波进行整形以减小弥散效应,实现恒应变率加载,并从SHPB试验的基本假定出发验证了有限元模型的准确性.通过数值模拟得到了不同撞击速度下基于3种材料模型的混凝土破坏过程及其应力-应变曲线.结果表明:KC,HJC,CSC三种模型基本上能够反映混凝土的动态力学特性,且KC模型和CSC模型的失效模式为核心塌陷,而HJC模型则表现出留核现象;在相同的平均应变率下,HJC模型和KC模型的动力放大系数大于CSC模型;随着平均应变率的增加,峰值应变增大,CSC模型和HJC模型的割线刚度减小,而KC模型的割线刚度变化不明显.     

混凝土力学行为的降阶多尺度模拟研究

为了研究混凝土的降阶多尺度方法动态力学特性,模拟随机形状和大小的凸多面体骨料,并考虑了骨料的随机结构和位置,建立了混凝土三维细观仿真模型,通过单轴静态压缩仿真对模型进行了验证.根据细观尺度下混凝土的实际结构,对动态SHPB冲击载荷作用下的混凝土进行仿真模拟,得到了不同入射速度下的实验数据.结果表明,仿真结果与实验结果吻合较好,多尺度方法可以将细观尺度特征和宏观尺度动态力学行为联系在一起,验证了多尺度方法的有效性,在混凝土各相力学性能方面,降阶均匀化方法相比细观尺度模型提高了计算效率.     

混凝土冲击拉伸力学性能及裂纹扩展试验研究和数值模拟

为真实反映混凝土材料劈裂拉伸力学性能,基于应变片法采用分离式霍普金森压杆对混凝土平台巴西圆盘试件进行了劈裂拉伸试验,研究了不同加载角对试件起裂方式及破坏模式的影响,并对试件破坏过程进行了扩展有限元模拟,同时与试验结果进行了对比分析,得到用于测试混凝土拉伸力学性能的最优加载角.基于此得到动态劈拉下3种不同强度混凝土的劈裂拉伸应力-径向应变曲线及抗拉强度、极限应变、拉伸敏感系数等参数的应变率效应.结果表明:20°加载角可以保证圆盘在中心起裂,用于测试混凝土劈裂拉伸性能最为可靠.在高应变率下,混凝土动态力学参数均具有明显的应变率效应,裂纹沿试件受力方向扩展、贯通直至试件沿加载直径方向劈裂为两半,破坏面表现为骨料破坏,与数值模拟结果一致.     

复杂受力状态下密肋复合墙体框格有限元模拟

基于通用有限元计算分析软件并结合自定义材料子程序模型,对水平往复荷载及轴压力下的密肋复合墙体框格试件进行了梁式建模、壳式建模及梁壳式建模方式下的数值模拟.基于不同有限元建模方式,混凝土材料模型分别选用汪混凝土本构模型和经典混凝土弹塑性+断裂本构模型,而钢筋材料模型统一采用汪钢筋本构模型.通过计算结果与试验结果的对比分析,探讨了影响往复荷载下密肋复合墙体框格数值模拟的主要因素.     

考虑位错密度的铝合金动态压缩晶体塑性有限元分析

采用实验与晶体塑性有限元(CPFEM)相结合的方法，对7075-T6铝合金在动态压缩实验中的宏观力学响应及其微观结构的演化进行了分析。通过分离式霍普金森压杆(SHPB)对7075-T6铝合金进行了应变率为2 000 s^-1的动态压缩实验，并使用电子背散射衍射技术(EBSD)对实验前后试件的微观结构进行了表征。修改了传统晶体塑性有限元模型中的强化模型和流动准则，引入位错密度作为内部状态变量，并探究了摩擦系数以及位错增殖系数和位错湮灭系数对试件宏观力学性能的影响。结果表明：位错增殖系数增大会导致材料的硬化行为加剧且极限强度提高，位错湮灭系数增大则会导致材料的极限强度下降，且弱化其硬化行为。通过实验与模拟的结果对比可以看出，晶体塑性有限元模型可以较为准确地预测动态压缩过程中试样内部织构的变化趋势，表现为生成了较多的Brass{110}<112>织构和Goss{110}<001>织构。     

基于细观模型的超高性能钢纤维混凝土SHPB试验数值模拟

超高性能钢纤维混凝土是一种极具创新性的水泥基复合材料,具有优异的力学性能,在结构抵抗极端荷载方面潜力突出.为研究超高性能钢纤维混凝土动态力学性能,利用LS_DYNA软件建立了由砂浆和钢纤维组成的细观数值模型.首先,通过静态压缩和劈裂试验对细观模型进行了验证.其次,对霍普金森压杆(SHPB)试验进行了数值模拟,并在细观尺度上解释了应力-应变历程,研究了钢纤维含量对超高性能钢纤维混凝土动态性能的影响.研究结果表明,该模型能够很好地预测超高性能钢纤维混凝土的静态和动态性能;当钢纤维在合理范围内(0%–2.5%)时,超高性能钢纤维混凝土动态强度随着钢纤维体积率的增加而显著增大;然而,超高性能钢纤维混凝土动态增强因子低于传统混凝土材料.同时,定量分析了钢纤维增强效果,并在试验和数值模拟的基础上推导了超高性能钢纤维混凝土的动态本构关系.     

高应变率下无氧铜动态剪切性能研究

动态剪切试验是获得材料高应变率力学性能的有效方法之一,采用由霍普金森压杆改进的双缺口冲击剪切装置具有测试方便的特点,同时其测试结果的可靠性可以满足工程应用的需要。本文首先通过有限元数值模拟肯定了这种改进的双缺口冲击剪切试验装置的有效性,并对试件几何量的优化作了分析讨论。在此基础上,对无氧铜材料的动态剪切特性进行了测试。得到了在高应变率下无氧铜材料的剪切应力-应变曲线。实验结果并表明,在高应变率下,无氧铜材料依然符合Von．Mises屈服准则。     

C45珊瑚混凝土的冲击压缩性能试验及数值模拟

为了研究珊瑚混凝土(CAC)的动态力学性能,采用试验研究和数值模拟相结合的方法对强度等级为C45的CAC冲击压缩性能及破坏特征进行了分析.首先,通过实验得到了CAC的压缩强度、应力-应变曲线和破坏特征;然后,采用HJC模型对其冲击实验进行数值模拟,并将模拟结果与试验结果进行对比,分析HJC模型及其参数的可靠性.结果表明:冲击压缩荷载作用下的CAC呈典型脆性破坏形态,其抗压强度具有明显的应变率效应;可以采用欧洲混凝土委员会推荐的计算模型来分析预测CAC的动态增强因子;动态屈服强度试验值与模拟值的误差(1.76%～7.71%)在允许范围内,说明HJC模型及其模型参数在C45 CAC的冲击力学性能分析方面具有较高的可靠性.     

SHPB实验及其在合金材料中的应用研究

钛、铝合金材料在航空航天等工程领域中得到了广泛应用,对其动态冲击力学性能的研究需借助分离式Hopkinson压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)实验完成。比较并分析了SHPB实验装置及其在该两种合金材料研究上的应用,研究了影响SHPB实验结果的因素,如弥散效应、均匀性问题、惯性效应及端面摩擦效应等。通过对钛合金、铝合金材料冲击动态力学性能及其本构模型进行研究发现:钛合金和铝合金材料的流动应力和屈服强度往往会随着应变率的升高而升高,随温度的升高而降低。对钛合金和铝合金材料的冲击动态力学性能进行了比较,Johnson-Cook本构模型可以合理描述两种材料的冲击动态力学行为。     

高温后混凝土动态力学性能时间效应试验

采用ANSYS软件模拟C60混凝土试件加热过程中的温度场,确定不同温度组试件的加热时间.利用高温SHPB试验装置进行不同加热长的高温后混凝土冲击压缩试验,分析了高温和加热时间对混凝土动态压缩力学性能的影响.结果表明:经历高温后且不同加热时间的混凝土材料,在自然冷却后表现出明显的温度软化效应和时间效应;在不同高温后,随着加热温度的升高混凝土动态抗压强度逐渐减小,峰值应变先增大而后略微降低且始终大于室温条件下的峰值应变;在相同温度且不同加热时间的条件下,混凝土随着加热时间的增加,其动态抗压强度不断降低,峰值应变总体上先增大后减小,弹性模量减小.     

中高应变率下沥青混凝土动力增长系数研究

为研究沥青混凝土材料在强动载条件下的动态性能,采用液压伺服试验机和霍普金森压杆(SHPB)对沥青混凝土进行了不同应变率下的压缩试验,得出了中高应变率下沥青混凝土材料的动力增长系数(DIF)和材料的动态应力-应变关系曲线.运用考虑应变率效应的弹塑性损伤模型对沥青混凝土的SHPB试验进行模拟,并通过室内试验确定本构模型中的关键参数,如强度面曲线和损伤因子等.结果表明:采用液压伺服仪和SHPB可以有效地得出沥青混凝土在中高应变率下的动力增长系数,沥青混凝土抗压强度随着应变率的提高而增加;采用室内试验可以快速准确地确定弹塑性本构模型中的相关参数,用以表述沥青混凝土的应力-应变关系;当数值模拟中采用SHPB试验中获取的动力增长系数时,将导致惯性效应的重复,故对沥青混凝土材料进行高应变率下数值模拟时,应不考虑SHPB试验中由于环向惯性效应所引起的那部分动力增长系数,即需要对SHPB试验所得的动力增长系数做修正.     

混凝土单轴压缩破坏过程的三维细观数值模拟

从细观力学的角度出发,将混凝土视为由骨料、砂浆及二者之间的界面所组成的三相复合材料,利用蒙特卡罗方法,产生骨料在试件中的随机位置,建立了混凝土圆柱体试件三维数值模型。进行单元划分,对试件中骨料、砂浆和界面单元的材料号进行自动识别及赋值。通过三个计算方案研究了混凝土单轴压缩下的力学性能及破坏过程,模拟了混凝土材料从裂纹的萌生、扩展、贯通直到宏观裂纹产生导致破坏的过程。结果表明,该数值模型及计算方法能够较好地反映混凝土在单轴荷载作用下的力学特性。     

基于SPH方法对强动载下混凝土结构损伤破坏的数值模拟研究

混凝土结构在冲击爆炸等强动载作用下常常发生开坑和震塌等典型的损伤破坏现象,对损伤破坏的精细化数值模拟依赖于准确的材料模型和合适的数值算法,是当前研究的热点问题.本文首先探讨了基于有限元方法和常用单元删除算法模拟混凝土损伤破坏的内在缺陷和不足,然后基于光滑粒子流体动力学方法(SPH)与作者近期提出的混凝土动态损伤材料模型(Kong-Fang模型)相结合,对强动载下混凝土结构损伤破坏进行数值模拟,得到了实验的较好验证.SPH方法结合Kong-Fang材料模型不需要引入常用单元删除算法中的经验参数,提供了具有较好应用前景的混凝土结构动态损伤破坏的数值模拟方法.     

三级配混凝土单轴破坏的细观数值模拟

将混凝土看成是由骨料、界面和砂浆组成的非均质复合材料,采用非线性有限元软件Marc对东江拱坝三级配混凝土试件单轴受拉、单轴受压破坏的全过程进行数值模拟．按照试件的实际配比计算出各种粒径骨料的数目,采用蒙特卡罗法对混凝土骨料进行随机投放,生成试件的随机骨料模型．研究中,单轴受拉时采用最大拉应力准则,并考虑了材料的软化;单轴受压时采用线性莫尔-库伦准则．结果表明,混凝土的力学性能与其内部的细观结构组成密切相关,材料的宏观破坏是细观结构破坏累积的结果,无论是受拉时的开裂还是受压时的屈服,几乎都首先发生在界面上．     

基于真实细观结构的多孔混凝土三维重建

为了获得真实多孔混凝土结构和满足多孔混凝土三维细观力学模拟的需要,借助工业CT图像三维重建方法的原理,采用数字图形处理技术和MATLAB程序实现了多孔混凝土的三维结构重建.结果表明,重构的三维结构模型接近真实的多孔混凝土,可以直观地分析混凝土内部的多孔结构和孔的连通性.多孔混凝土的三维重建为有限元方法研究多孔混凝土的孔结构、力学性能及其渗透性提供了一种有效的模型,为多孔混凝土物理力学性能的数值模拟奠定了基础.