一种基于夹杂问题理论的损伤模型的开发与应用

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工程实践中在选择结构材料时,材料的力学性能和经济性往往是首要考虑的因素。现有的规范和标准为了考虑结构或构件的安全,通常基于材料弹性阶段相关参数进行设计,这种设计理念具有充分的安全性,但对材料的利用不充分,经济性上有待提高。且随着现代工业对材料的要求不断增加,材料经常处于复杂的热和化学环境,这就要对材料性能进行更进一步的开发和研究。工程师们逐渐发现,在加工和使用过程中,材料中损伤广泛的存在深刻影响着材料的力学行为。对损伤模型的开发,已经成为材料力学研究不可缺失的工作。本文主要基于连续介质损伤理论和夹杂问题理论,提出了一种二维各向同性损伤模型。将材料的损伤部位视为非均匀体,利用等效夹杂方法对非均匀问题进行匀质化处理。当材料中一点的等效应变超过最大弹性应变时,在损伤区域插入圆形夹杂,利用Eshelby等效夹杂理论,将损伤视为同一部位施加的本征应变使损伤得到明确的表示。在该方法中,不考虑损伤之间的相互影响,以材料的临界应力作为判断损伤发生的依据,不需要事先知道材料中损伤发生的位置。在此思路下,本文对平面应力状态下的椭圆非均匀体问题进行研究,推导了均匀外部应力场和椭圆非均匀体问题内外场的应力和应变显式表达式。通过将损伤等效为本征应变,建立了混凝土各向同性弹性损伤模型,并将该模型在ABAQUS中以子程序UMAT进行实现。利用所提出的材料模型模拟了梁的三点弯曲试验,并和ABAQUS中自带混凝土损伤模型进行对比,证明了该模型的有效性,并对模型的相关性能进行了进一步讨论。本文的工作为结构的计算提供了可靠的材料模型。
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