ABAQUS中钢-聚丙烯混杂纤维混凝土塑性本构参数的取值方法技术

本发明专利技术公开了一种ABAQUS中钢‑聚丙烯混杂纤维混凝土塑性本构参数的取值方法，该方法充分考虑了不同纤维类型、体积掺量及长径比等因素对混凝土力学性能的影响，适当修正了ABAQUS中内置混凝土损伤塑性模型(CDPM)的相关参数，使其能够更为准确地吻合钢‑聚丙烯混杂纤维混凝土的屈服准则、硬化规律和流动法则，为纤维混凝土结构在复杂应力状态下的精细化非线性分析提供了一个很好的参考。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于建筑材料
，具体涉及一种基于ABAQUS的钢-聚丙烯混杂纤维混凝土塑性本构模型参数的取值方法。
技术介绍
本世纪以来，纤维混凝土得到了迅猛的发展，为了准确确定其真实的本构模型，国内外学者进行了大量的研究，提出了各种荷载条件下的应力-应变数学表达式，并将其运用到有限元仿真分析当中，但模拟结果却往往不能很好地反映纤维混凝土的非线性受力行为，如基体多轴强度、体积变形、滞回能耗等力学特性在纤维加入后的变化无法得到较好的体现。目前，大型通用有限元软件ABAQUS以其强大的仿真功能而被广泛应用，其中，其内置的混凝土损伤塑性模型(CDPM)在普通混凝土结构的力学性能分析中起着关键作用，但对于纤维混凝土，尤其是混杂纤维混凝土，该模型并不十分适用，需要进行进一步的修正，但相关工作迄今为止并未见诸任何报道，这在很大程度上限制了该领域课题的研究深度，不利于混杂纤维混凝土材料的进一步推广应用。
技术实现思路
为了解决上述的技术问题，本专利技术提供了一种基于大型通用有限元软件ABAQUS适用于钢-聚丙烯混杂纤维混凝土(下文中如无做特殊说明，均简称为“混杂纤维混凝土”)塑性本构模型参数的取值方法。ABAQUS中钢-聚丙烯混杂纤维混凝土塑性本构参数的取值方法，包括以下步骤：步骤1：提出屈服准则修正的总体形式：所述钢-聚丙烯混杂纤维混凝土塑性本构模型的屈服准则为：F=11-αhf(q‾-3αhfp‾+βhf<σ‾max>-γhf<-σ&OverBar;max>)-σc0≤0---(1)]]>其中，有效静水压力Mises等效应力“:”表示张量的点积；有效偏应力张量为应力张量；I为单位矩阵；为最大有效应力值；〈·〉为取正符号，x表示一个数值；参数αhf，βhf，γhf的计算公式如下：αhf=σb0hf/σc0-12(σb0hf/σc0)-1,βhf=σc0σt0(1-αhf)-(1+αhf),γhf=3(1-Kchf)2Kchf-1---(2)]]>式中，为混杂纤维混凝土双轴抗压强度，σc0为普通混凝土单轴抗压强度，定义了屈服面在平面应力状态下的形状；σt0为普通混凝土单轴抗拉强度；规定了当静水压力时混杂纤维混凝土的拉、压子午线之比步骤2：修正硬化规律：所述钢-聚丙烯混杂纤维混凝土塑性本构模型的硬化规律定义如下：(1)钢-聚丙烯混杂纤维混凝土单轴拉应力-应变关系为：σhft＝(1-dt)Ehftεhft(10)dt=1-ρt[α1+(1.5-1.25α1)x+(0.25α1-0.5)x5]x≤11-ρtαt(x-1)1.7+xx>1---(11)]]>α1＝1.2(1+0.265λsf+0.277λpf)1.2≤α1≤2(12)αt=0.312(ft0)21+3.366λsf+3.858λpf,0≤αt≤1.5---(13)]]>fhft0=ft0(1+0.379λsf+0.02λsfλpf),ϵhft0=ϵt0(1+0.498λsf+0.697λpf)---(14)]]>x=ϵhft/ϵhft0,ρt=fhft0/(Ehftϵhft0)---(15)]]>式中，Ehft、σhft、εhft和dt分别表示混杂纤维混凝土受拉弹性模量、受拉应力、受拉应变和受拉损伤值；ft0分别为混杂纤维混凝土和普通混凝土的单轴抗拉强度；则分别对应上述两种材料在单轴受拉条件下的峰值应变，λsf，λpf分别表示钢、聚丙烯纤维的特征值；α1为混杂纤维混凝土单轴拉应力-应变关系上升段系数，αt为混杂纤维混凝土单轴拉应力-应变关系下降段系数；ρt为混杂纤维混凝土单轴抗拉强度与峰值应变和弹性模量的比值；(2)钢-聚丙烯混杂纤维混凝土单轴压应力-应变关系为：y=ax+(3-2a)x2+(a-2)x30≤x≤1y=xb(x-1)2+xx>1---(16)]]>a=28.2283-23.2771(fhfc0)0.0374+0.4772λsf-0.4917λpf---(17)]]>b=1+0.3688(fhfc0)-0.2846-λsf-λpf---(18)]]>fhfc0=fc0(1+0.206λsf+0.388λpf),ϵhfc0=263.3fhfc0×10-6---(19)]]>x=ϵhfc/ϵhfc0,y=σhfc/fhfc0---(20)]]>式中，σhfc和εhfc分别表示混杂纤维混凝土受压应力和受压应变；分别为混杂纤维混凝土和普通混凝土的单轴抗压强度；为混杂纤维混凝土在单轴受压条件下的峰值应变，λsf，λpf分别表示钢、聚丙烯纤维的特征值；a为混杂纤维混凝土单轴压应力-应变关系上升段系数，b为混杂纤维混凝土单轴压应力-应变关系下降段系数；需要指出的是，所述(1)、(2)步骤中分别给出了单轴拉、压情况下的应力-应变全曲线，其中的应变包括了弹性应变和塑性应变两部分，而在使用ABAQUS软件进行有限元分析时只需提供应力-塑性应变全曲线，因此，再输入应变值时需要将弹性应变先行减去；步骤3：修正流动法则：所述钢-聚丙烯混杂纤维混凝土塑性本构模型的剪胀角定义如下：ψhf=arctan(|(φ1hfq‾2-φ2hfq‾1||(φ1hf)2(φ2hf)2(q‾22-q‾12)|)---(27)]]>式中，ψhf为混杂纤维混凝土的剪胀角，φhf为混杂纤维混凝土塑性流动角，Mises等效应力各参数下标“1”、“2”分别对应两种不同应力状态下的值；根据公式(27)的定义，即可计算得到混杂纤维混凝土的剪胀角与纤维特征值之间的对应关系。而且，公式(2)中，所述混杂纤维混凝土拉压子午线之比的计算方法为：Kchf=q‾(TM)hfq‾(CM)hf=q‾(TM)·ktq‾(CM)·kc=Kc·ktkc---(3)]]>式中，Kc为普通混凝土拉子午线值与压子午线值之比，kt、kc分别为混杂纤维对普通混凝土拉、压子午线的影响系数，计算方法如下：kt＝1+0.08λsf+0.132λpf，kc＝1+0.056λsf(4)式中，λsf，λpf分别表示钢、聚丙烯纤维的特征值。而且，公式(2)中，所述混杂纤维混本文档来自技高网...

【技术保护点】
ABAQUS中钢‑聚丙烯混杂纤维混凝土塑性本构参数的取值方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：提出屈服准则修正的总体形式：所述钢‑聚丙烯混杂纤维混凝土塑性本构模型的屈服准则为：F=11-αhf(q‾-3αhfp‾+βhf<σ‾max>-γhf<σ‾max>)-σc0≤0---(1)]]>其中，有效静水压力Mises等效应力“:”表示张量的点积；有效偏应力张量为应力张量；I为单位矩阵；为最大有效应力值；<·>为取正符号，x表示一个数值；参数αhf，βhf，γhf的计算公式如下：αhf=σb0hf/σc0-12(σb0hf/σc0)-1,βhf=σc0σt0(1-αhf)-(1+αhf),γhf=3(1-Kchf)2Kchf-1---(2)]]>式中，为混杂纤维混凝土双轴抗压强度，σc0为普通混凝土单轴抗压强度，定义了屈服面在平面应力状态下的形状；σt0为普通混凝土单轴抗拉强度；规定了当静水压力时混杂纤维混凝土的拉、压子午线之比步骤2：修正硬化规律：所述钢‑聚丙烯混杂纤维混凝土塑性本构模型的硬化规律定义如下：(1)钢‑聚丙烯混杂纤维混凝土单轴拉应力‑应变关系为： σhft＝(1‑dt)Ehftεhft         (10)dt=1-ρt[α1+(1.5-1.25α1)x+(0.25α1-0.5)x5]x≤11-ρtαt(x-1)1.7+xx>1---(11)]]> α1＝1.2(1+0.265λsf+0.277λpf) 1.2≤α1≤2        (12)αt=0.312(ft0)21+3.366λsf+3.858λpf0≤αt≤1.5---(13)]]>fhft0=ft0(1+0.379λsf+0.02λsfλpf),ϵhft0=ϵt0(1+0.498λsf+0.697λpf)---(14)]]>x=ϵhft/ϵhft0,ρt=fhft0/(Ehftϵhft0)---(15)]]>式中，Ehft、σhft、εhft和dt分别表示混杂纤维混凝土受拉弹性模量、受拉应力、受拉应变和受拉损伤值；ft0分别为混杂纤维混凝土和普通混凝土的单轴抗拉强度；则分别对应上述两种材料在单轴受拉条件下的峰值应变，λsf，λpf分别表示钢、聚丙烯纤维的特征值；α1为混杂纤维混凝土单轴拉应力‑应变关系上升段系数，αt为混杂纤维混凝土单轴拉应力‑应变关系下降段系数；ρt为混杂纤维混凝土单轴抗拉强度与峰值应变和弹性模量的比值；(2)钢‑聚丙烯混杂纤维混凝土单轴压应力‑应变关系为：y=ax+(3-2a)x2+(a-2)x30≤x≤1y=xb(x-1)2+xx>1---(16)]]>a=28.2283-23.2771(fhfc0)0.0374+0.4772λsf-0.4917λpf---(17)]]>b=1+0.3688(fhfc0)-0.2846-λsf-λpf---(18)]]>fhfc0=fc0(1+0.206λsf+0.388λpf),ϵhfc0=263.3fhfc0×10-6---(19)]]>x=ϵhfc/ϵhfc0,y=σhfc/fhfc0---(20)]]>式中，σhfc和εhfc分别表示混杂纤维混凝土受压应力和受压应变；分别为混杂纤维混凝土和普通混凝土的单轴抗压强度；为混杂纤维混凝土在单轴受压条件下的峰值应变，λsf，λpf分别表示钢、聚丙烯纤维的特征值；a为混杂纤维混凝土单轴压应力‑应变关系上升段系数，b为混杂纤维混凝土单轴压应力‑应变关系下降段系数；需要指出的是，所述(1)、(2)步骤中分别给出了单轴拉、压情况下的应力‑应变全曲线，其中的应变包括了弹性应变和塑性应变两部分，而在使用ABAQUS软件进行有限元分析时只需提供应力‑塑性应变全曲线，因此，再输入应变值时需要将弹性应变先行减去；步骤3：修正流动法则：所述钢‑聚丙烯混杂纤维混凝土塑性本构模型的剪胀角定义如下：&ps...

【技术特征摘要】
1.ABAQUS中钢-聚丙烯混杂纤维混凝土塑性本构参数的取值方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：提出屈服准则修正的总体形式：所述钢-聚丙烯混杂纤维混凝土塑性本构模型的屈服准则为：F=11-αhf(q‾-3αhfp‾+βhf<σ‾max>-γhf<σ‾max>)-σc0≤0---(1)]]>其中，有效静水压力Mises等效应力“:”表示张量的点积；有效偏应力张量为应力张量；I为单位矩阵；为最大有效应力值；<·>为取正符号，x表示一个数值；参数αhf，βhf，γhf的计算公式如下：αhf=σb0hf/σc0-12(σb0hf/σc0)-1,βhf=σc0σt0(1-αhf)-(1+αhf),γhf=3(1-Kchf)2Kchf-1---(2)]]>式中，为混杂纤维混凝土双轴抗压强度，σc0为普通混凝土单轴抗压强度，定义了屈服面在平面应力状态下的形状；σt0为普通混凝土单轴抗拉强度；规定了当静水压力时混杂纤维混凝土的拉、压子午线之比步骤2：修正硬化规律：所述钢-聚丙烯混杂纤维混凝土塑性本构模型的硬化规律定义如下：(1)钢-聚丙烯混杂纤维混凝土单轴拉应力-应变关系为：σhft＝(1-dt)Ehftεhft(10)dt=1-ρt[α1+(1.5-1.25α1)x+(0.25α1-0.5)x5]x≤11-ρtαt(x-1)1.7+xx>1---(11)]]>α1＝1.2(1+0.265λsf+0.277λpf)1.2≤α1≤2(12)αt=0.312(ft0)21+3.366λsf+3.858λpf0≤αt≤1.5---(13)]]>fhft0=ft0(1+0.379λsf+0.02λsfλpf),ϵhft0=ϵt0(1+0.498λsf+0.697λpf)---(14)]]>x=ϵhft/ϵhft0,ρt=fhft0/(Ehftϵhft0)---(15)]]>式中，Ehft、σhft、εhft和dt分别表示混杂纤维混凝土受拉弹性模量、受拉应力、受拉应变和受拉损伤值；ft0分别为混杂纤维混凝土和普通混凝土的单轴抗拉强度；则分别对应上述两种材料在单轴受拉条件下的峰值应变，λsf，λpf分别表示钢、聚丙烯纤维的特征值；α1为混杂纤维混凝土单轴拉应力-应变关系上升段系数，αt为混杂纤维混凝土单轴拉应力-应变关系下降段系数；ρt为混杂纤维混凝土单轴抗拉强度与峰值应变和弹性模量的比值；(2)钢-聚丙烯混杂纤维混凝土单轴压应力-应变关系为：y=ax+(3-2a)x2+(a-2)x30≤x≤1y=xb(x-1)2+xx>1---(16)]]>a=28.2283-23.2771(fhfc0)0.0374+0.4772λsf-0.4917λpf---(17)]]>b=1+0.3688(fhfc0)-0.2846-λsf-λpf---(18)]]>fhfc0=fc0(1+0.206λsf+0.388λpf),ϵhfc0=263.3fhfc0×10-6---(19)]]>x=ϵhfc/ϵhfc0,y=σhfc/fhfc0---(20)]]>式中，σhfc和εhfc分别表示混杂纤维混凝土受压应力和受压应变；分别为混杂纤维混凝土和普通混凝土的单轴抗压强度；为混杂纤维混凝土在单轴受压条件下的峰值应变，λsf，λpf分别表示钢、聚丙烯纤维的特征值；a为混杂纤维混凝土单轴压应力-应变关系上升段系数，b为混杂纤维混凝土单轴压应力-应变关系下降段系数；需要指出的是，所述(1)、(2)步骤中分别给出了单轴拉、压情况下的应力-应变全曲线，其中的应变包括了弹性应变和塑性应变两部分，而在使用ABAQUS软件进行有限元分析时只需提供应力-塑性应变全曲线，因此，再输入应变值时需要将弹性应变先行减去；步骤3：修正流动法则：所述钢-聚丙烯混杂纤维混凝土塑性本构模型的剪胀角定义如下：ψhf=arctan(|φ1hfq‾2-φ2hfq‾1||(φ1hf)2(φ2hf)2(q‾22-q‾12)|)---(27)]]>式中，ψhf为混杂纤维混凝土的剪胀角，φhf为混杂纤维混凝土塑性流动角，Mises等效应力各参数下标“1”、“2”分别对应两种不同应力状态下的值；根据公式(27)的定义，即可计算得到混杂纤维混凝土的剪胀角与纤维特征值之间的对应关系。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：公式(2)中，所述混杂纤维混凝土拉压子午线之比的计算方法为：Kchf=q‾(TM)hfq‾(CM)hf=q‾(TM)·ktq‾(CM)·kc=Kc·ktkc---(3)]]>式中，Kc为普通混凝土拉子午线值与压子午线值之比，kt、kc分别为混杂纤维对普通混凝土拉、压子午线的影响系数，计算方法如下：kt＝1+0.08λsf+0.132λpf，kc＝1+0.056λsf(4)式中，λsf，λpf分别表示钢、聚丙烯纤维的特征值。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：公式(2)中，所述混杂纤维混凝土双轴抗压强度与普通混凝土单轴抗压强度之比的计算方法如下：(1)根据弹塑性理论，等压双轴抗压强度点位于拉子午线上，令混杂纤维混凝土的双轴抗压强度为(压为负)，应力状态为σ1，σ2，σ3分别为x、y、z方向上主应力，该应力状态在Haigh-Westergaard坐标系下对应的静水压力值ξ与偏应力值分别为：ξ=I13=-2σb0hf3---(5)]]>ρthf=2J2=2·16·[(0+σb0hf)2+(0+σ...

【专利技术属性】
技术研发人员：池寅，黄乐，徐礼华，余敏，李彪，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42