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混凝土弹—粘塑性动力本构模型及其在有限元分析中的应用

作 者: 赵丽红
导 师: 陈礼和;周继凯
学 校: 河海大学
专 业: 结构工程
关键词: 混凝土 本构模型 弹-粘塑性 率效应 损伤
分类号: TU528
类 型: 硕士论文
年 份: 2005年
下 载: 493次
引 用: 2次
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内容摘要


混凝土结构常承受动态荷载如地震、冲击、爆炸等的作用。混凝土材料在动态荷载作用下的率敏感性和损伤机理,是众多大型工程如高坝、核电站、交通和军事工程中急待解决的难题。本文作为河海大学院士学科发展基金项目“混凝土动力特性及动态损伤机理研究”的一个子项,对混凝土的动态本构模型和损伤理论进行了深入的分析研究。 本文主要进行了以下几方面的工作:(1)基于Perzyna粘塑性模型理论,考虑应变率对混凝土初始弹性模量的影响,推导了混凝土的拉、压均适用的弹-粘塑性单轴动力本构模型;(2)基于应变等价性假设,通过引进裂纹闭合效应系数来反映混凝土拉、压损伤的不同,建立了考虑损伤的混凝土弹-粘塑性单轴动力本构模型,并用现有的不同加载速率下的混凝土单轴拉、压应力-应变试验曲线对该模型进行了验证;(3)将Perzyna弹-粘塑性理论应用于平面应力状态混凝土的动态受力分析,考虑应变率对混凝土初始弹性模量的影响,采用Drucker-Prager屈服准则作为屈服判断依据,导出了平面应力状态混凝土的弹-粘塑性动力本构模型;(4)进行了静态荷载和动态冲击荷载作用下的混凝土三弯点梁试验;(5)将平面应力状态混凝土的弹-粘塑性动力本构模型应用于平面有限元程序,编制了考虑初始弹性模量变化的动力有限元程序,对静态和动态冲击荷载作用下的三弯点梁试验进行了数值模拟。 研究表明:(1)影响混凝土动态响应的因素主要有两方面:应变率强化效应和损伤弱化效应;(2)Perzyna粘塑性理论可以用来描述混凝土的动态行为特性,本文所提的考虑损伤的混凝土弹-粘塑性单轴动力本构模型和考虑初始弹性模量变化的平面应力状态弹-粘塑性动力本构模型是合理的;(3)由三弯点梁静动态试验研究表明:随着加载速率的增大,混凝土的初始弹性模量提高8.5%,混凝土的极限弯拉强度提高21.7%;(4)用本文编制的动力有限元程序可以较好的模拟三弯点梁在静态和动态冲击荷载作用下的弯拉特性。以上这些研究成果对今后的研究具有重要的理论意义。

全文目录


第一章 绪论  8-17
  1.1 问题的提出  8-9
  1.2 混凝土动态本构模型的国内外研究现状  9-11
  1.3 混凝土损伤本构理论研究现状  11-16
    1.3.1 损伤变量的定义和演化规律  12-13
    1.3.2 混凝土损伤本构模型研究现状  13-16
  1.4 本文的主要研究工作  16-17
第二章 混凝土弹-粘塑性单轴和平面动力本构模型  17-35
  2.1 混凝土弹-粘塑性单轴动力本构模型  17-20
    2.1.1 混凝土弹-粘塑性单轴动力模型  17-19
    2.1.2 弹-粘塑性单轴动力本构模型中静态应力-应变曲线的确定  19-20
  2.2 考虑损伤的混凝土弹-粘塑性单轴动力本构模型  20-27
    2.2.1 损伤变量因子的定义和有效应力  20-21
    2.2.2 损伤变量的演化规律  21-26
    2.2.3 考虑损伤的混凝土弹-粘塑性单轴动力本构模型  26-27
  2.3 本文所提模型与试验结果的验证  27-31
  2.4 平面应力状态混凝土弹-粘塑性动力本构模型  31-34
  2.5 本章小结  34-35
第三章 静载和冲击荷载作用下混凝土三弯点梁弯拉特性试验研究  35-44
  3.1 引言  35
  3.2 试验方案  35-38
    3.2.1 混凝土原材料  35-36
    3.2.2 混凝土试件成型和养护  36
    3.2.3 试验设备  36
    3.2.4 试验方法  36-38
    3.2.5 加载波形  38
  3.3 试验结果  38-43
    3.3.1 混凝土静动态弯拉应力-应变曲线  38-40
    3.3.2 混凝土静动态弯拉强度  40-41
    3.3.3 混凝土静动态加载的应变率  41-42
    3.3.4 混凝土静动态弹性模量  42-43
  3.4 本章小结  43-44
第四章 静载和冲击荷载作用下混凝土三弯点梁弯拉特性有限元分析  44-75
  4.1 平面有限元分析基本理论  44-50
    4.1.1 平面八结点等参数单元的位移模式、坐标变换式及形函数  44-45
    4.1.2 应力和应变转换矩阵  45-47
    4.1.3 单元劲度矩阵  47-48
    4.1.4 荷载列阵  48-50
  4.2 非线性动力有限元平衡方程的建立及其解法  50-57
    4.2.1 非线性动力平衡方程的建立  50-51
    4.2.2 单元的质量矩阵和阻尼矩阵  51-52
    4.2.3 动力方程的解法  52-57
  4.3 程序流程图及功能简介  57-64
    4.3.1 程序流程图及分析步骤  57-62
    4.3.2 屈服判断流程图和粘塑性应变率求解流程图  62-64
    4.3.3 程序功能简介  64
  4.4 三弯点梁的有限元分析  64-73
    4.4.1 三弯点梁有限元网格剖分  65
    4.4.2 材料参数  65-66
    4.4.3 中心差分法中时间步长的控制  66
    4.4.4 参数敏感性分析  66-70
    4.4.5 动态冲击加载下的计算结果分析  70-72
    4.4.6 静态加载情况下的计算结果分析  72-73
  4.5 本章小结  73-75
第五章 结论与展望  75-77
  5.1 结论  75-76
  5.2 展望  76-77
参考文献  77-83

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中图分类: > 工业技术 > 建筑科学 > 建筑材料 > 非金属材料 > 混凝土及混凝土制品
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