磁铁矿混凝土动态力学性能试验与离散元数值仿真研究

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磁铁矿混凝土是一种具有屏蔽辐射功能的特种混凝土,被广泛应用于核电、军事、教育、科研、医疗等众多领域,爆炸恐怖事件以及地震、海啸、泥石流等一直威胁着国家、社会和人民的生命财产安全,因此研究磁铁矿混凝土在冲击荷载作用下的结构动力性能变得尤为重要。本文采用分离式霍普金森压杆试验(SHPB)结合离散元细观仿真模拟进行了磁铁矿混凝土的抗冲击试验研究。主要研究内容如下:(1)完成了磁铁矿混凝土和普通混凝土在静力荷载作用下的加载试验、磁铁矿的相关材料试验,获得了相同强度等级的混凝土试件。(2)采用100mmSHPB试验装置进行了不同冲击速度下的磁铁矿混凝土和普通混凝土试件的动态冲击压缩试验,得到了SHPB原始波形图、应变率时程曲线和应力-应变曲线图。并使用橡胶作为波形整形材料,基本满足试件内部应力均匀条件要求,实现了近似恒应变率加载。(3)分析了应变率对磁铁矿混凝土动态应力-应变曲线、峰值应变、动态增大系数(DIF)和试件破坏特征的影响,并与相同工况下的普通混凝土进行比较。试验结果表明,磁铁矿混凝土与普通混凝土均为明显的率敏感性材料,且磁铁矿混凝土应变率敏感性低于普通混凝土,随着应变率的提高,磁铁矿混凝土的抗压强度增加,但相同应变率下磁铁矿混凝土极限抗压强度要小于普通混凝土的;磁铁矿混凝土的峰值应变随应变率增大而增大;DIF与应变率关系和规范推荐曲线吻合较好;试件破坏形态由低应变率下的劈裂损伤过渡为高应变率下的块状粉碎破坏,碎块平均尺寸随应变率增大而逐渐减小。(4)利用离散元软件PFC2D进行不同应变率下动态抗压仿真模拟,将模拟试验过程中得到的数据与实验中应力-应变曲线等力学特性以及破坏现象进行了对比分析,数据吻合较好,说明本文建立的细观动力模型合理,证明了离散元PFC软件在模拟混凝土过程中的可行性,同时利用细观模型观测混凝土破坏形态的裂纹分布。
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