基于损伤的混凝土动态本构模型研究及其在有限元分析中的应用

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基于对混凝土作为一种具有微裂纹的非均质材料、混凝土结构受力体系日益复杂并且经常会承受各种变化剧烈的地震、冲击、爆炸等动荷载作用的认识,目前对混凝土材料力学行为的研究正由静态向动态、单向受力状态向复杂受力状态、并考虑混凝土损伤演化过程的方向快速发展;而混凝土作为目前最常用的一种建筑材料,其本构理论的研究归根结底是为了工程的应用。基于上述原因,本文旨在提出一种能为工程界所接受、便于工程应用的基于损伤的混凝土单轴、多轴动态本构模型。 本文在对混凝土动态本构模型、损伤理论及静动态破坏准则研究现状进行综述分析的基础上,提出了适用于混凝土材料的基于损伤的单轴拉、压动态本构模型,并通过引入拉应力指标、非线性指标和等效一维弹性模量的概念,将单轴本构模型推广至空间应力状态;然后用BP神经网络进行参数确定,并对模型进行进一步的验证;最后用课题组自编的空间率相关动力有限元程序RDDP进行数值计算及分析。 通过在混凝土静态本构模型体系上分别叠加应变率强化因子和损伤弱化因子,从而构成了基于损伤的单轴动态本构模型,该模型概念清晰,BP神经网络进行模型参数确定后的结果表明:理论模型与试验结果吻合较好;在将单轴本构模型推广至空间应力状态时,用拉应力指标区分混凝土的两种基本破坏形态:拉应力控制的拉断破坏和压应力控制的压碎破坏,用非线性指标修正单向应力状态时混凝土材料参数如强度、峰值应变等的变化,对三个主应力方向经过非线性指标修正后的弹性模量进行加权平均,得到等效一维弹性模量,从而将简单的拉、压应力应变关系应用于拉—拉—拉、拉—拉—压、拉—压—压、压—压—压等各种复杂的三向应力状态,很好地实现了一维本构模型向三维本构模型的推广;动态荷载作用下,混凝土的拉、压损伤规律有所不同,通过引入裂纹闭合系数的Loland模型—基于受拉损伤规律研究而得到的损伤模型—也可以很好地模拟混凝土在受压状态下的损伤演化规律;静动态荷载作用下混凝土的破坏准则不同,但可以用基于静态破坏模型、考虑动态性能影响而建立的动态破坏准则来模拟混凝土材料的动态破坏规律,这在当前缺乏完善的动态试验资料的现状下,为混凝土动态破坏规律的研究提供了一条可行的路径;RDDP程序进行数值计算的结果在一定程度上验证了一维本构模型到三维本构模型推导方法的正确性,并为应用该模型进行空间结构动力有限元分析提供了一定的基础。
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