适用于高压、高应变率下的混凝土损伤本构模型构建方法技术

本发明专利技术公开了适用于高压、高应变率下的混凝土损伤本构模型构建方法，包括:引入修正系数来修正高围压段屈服强度面形式；通过引入拉伸损伤指标、剪切损伤指标和静水压缩损伤指标以及剪切损伤对拉伸损伤影响因子和静水压缩损伤对其他应力状态影响因子，确定等效塑性应变；引入时间松弛因子确定当前时间步的结束时刻的等效应变率。本发明专利技术修正高围压段屈服强度面形式，解决了现有屈服强度面无法准确描述高围压下混凝土材料力学性能；能够确定拉伸损伤与剪切损伤之间的相互影响和静水压缩损伤对其他应力状态的影响，解决了现有损伤机制无法考虑静水压缩损伤以及各损伤之间相互影响关系的问题；通过引入时间松弛因子达到描述应变率突变时应力增长滞后现象。率突变时应力增长滞后现象。率突变时应力增长滞后现象。

【技术实现步骤摘要】
适用于高压、高应变率下的混凝土损伤本构模型构建方法


[0001]本专利技术所属于防灾减灾工程及防护工程领域，具体是LS
‑
DYNA商用有限元软件中混凝土本构模型的二次开发，应用于混凝土材料冲击爆炸等强动载作用下的数值仿真。

技术介绍

[0002]混凝土材料广泛应用于承受冲击和爆炸等强动载作用的军用与民用防护工程中。与静载、地震和风荷载等不同，强动载作用下混凝土材料受高静水压力、高应变率作用并产生大变形、开坑、震塌等损伤破坏，且在弹体及爆炸近区存在高围压区域。随着计算能力的迅速发展，数值模拟在混凝土结构在强动荷载作用下的响应分析中发挥着越来越重要的作用，适当的混凝土材料模型对于准确预测结构动力响应和失效是至关重要的。现有有限元计算软件中常用混凝土材料都是国外学者开发，如Holmquist
‑
Johnson
‑
Cook(HJC)，Riedel
‑
Hiermaier
‑
Thoma(RHT)以及Karagozian&Case(K&C)模型等，模型的使用与开发长期受制于国外，为打破这一技术瓶颈，开发了能准确反映强动载下混凝土动态力学性能的新型本构模型。
[0003]强动载下的常用混凝土材料模型存在的问题与缺点：(1)HJC模型虽然已广泛应用于弹体侵彻的数值模拟中，可较好描述混凝土的动态压缩行为，但无法较好描述动态拉伸行为；此外HJC模型只采用了两个应力不变量来确定当前加载面，不能描述偏平面形状由低压时三角形向高压时圆形的过渡；并且HJC模型采用了J2流动法则，无法描述混凝土材料的剪胀行为；将偏量引起的微裂纹扩展和球量引起的孔隙坍塌完全分离，未考虑两种损伤机制之间的关联。
[0004](2)K&C模型最初开发用来预测爆炸载荷作用下混凝土结构的动态响应，现已广泛应用于强动载下混凝土结构动态响应中。K&C模型采用三个独立的强度面，即初始屈服强度面，最大强度表面和残余强度面，当前破坏面由损伤因子内插屈服强度面和最大的强度面以及最大强度面和残余强度面得到。损伤因子先由零增大到1，对应于应变硬化阶段；然后再从1减小到零，对应于应变软化。K&C模型较为全面描述了冲击爆炸荷载作用下混凝土材料的动态力学行为，然而该模型仍存在如下几个缺点：K&C模型提供了参数自动生成算法并被广泛采用，自动生成的参数适用于较低静水压力情况(如远距离爆炸)，但不适用于高压力情况(如弹体侵彻问题等)；K&C模型预测的断裂应变和断裂能均随应变率增大而增大，与实验现象不符；采用了关联或部分关联的流动法则，仅考虑了偏量行为对球量行为的影响(剪切膨胀)，从而忽略了球量对偏量的影响，即孔隙坍塌引起的静水压缩损伤会降低混凝土单轴抗拉和抗压强度。(3)RHT模型可以认为是HJC模型的改进模型，并广泛应用于强动载下混凝土结构的响应和破坏的数值模拟中，采用三个独立的强度面，即初始屈服强度面、最大强度面和残余强度面，当前加载面通过等效塑性应变内插屈服强度面和最大强度面确定应变硬化效应，并通过损伤因子内插最大强度面和残余强度面确定应变软化效应。由于残余强度面中缺少第三应力不变量，因此在特定应力状态下模型预测结果会出现问题；此外RHT模型采用拉伸线性软化模型，与已有实验数据不符；与HJC模型一致，未考虑剪切损伤与
静水压缩之间的竞争机制。
[0005]可以看出，已有混凝土材料模型均侧重于强动载下响应的特定方面，存在其自身的缺陷和局限性，很难真实完整描述混凝土材料动态力学性能，其数值计算结果对工程设计可靠性及参考性有限，故急需一种适用于高压、高应变率下的新型混凝土损伤本构模型。

技术实现思路

[0006]本专利技术旨在针对现有混凝土本构模型缺乏考虑高围压下的屈服面形式、忽略静水压缩损伤及未考虑各损伤之间相互影响关系和现有的应变率效应不能反映应变率突变时应力迟滞效应的缺陷，提供一种适用于高压、高应变率下的混凝土损伤本构模型构建方法。
[0007]为实现该技术目的，本专利技术采用以下方案。
[0008]一种适用于高压、高应变率下的混凝土损伤本构模型构建方法，包括引入修正系数来修正高围压段屈服强度面形式；通过引入拉伸损伤指标、剪切损伤指标和静水压缩损伤指标以及剪切损伤对拉伸损伤影响因子和静水压缩损伤对其他应力状态影响因子，确定等效塑性应变；引入时间松弛因子确定当前时间步的结束时刻的等效应变率。
[0009]进一步地，修正后的屈服强度面形式表示如下：
[0010][0011]其中σ
y
是屈服强度面，r
p
＝P/DIF，P是压力，DIF为动态增强因子，T是混凝土单轴抗拉强度，f
c
是混凝土单轴抗压强度，f
yc
是混凝土抗压屈服强度，a
1y
、a
2y
是材料常数，N是修正系数。
[0012]进一步地，所述等效塑性应变表示为：
[0013]λ＝1
‑
(1
‑
δ
s
λ
t
)(1
‑
λ
s
)(1
‑
δ
h
λ
h
)
[0014]其中λ是等效塑性应变，λ
t
是拉伸损伤指标、λ
s
是剪切损伤指标、λ
h
是静水压缩损伤指标，δ
s
是剪切损伤对拉伸损伤影响因子，δ
h
是静水压缩损伤对其他应力状态影响因子。通过等效塑性应变的表达式能够确定拉伸损伤与剪切损伤之间的相互影响和静水压缩损伤对其他应力状态的影响。
[0015]再进一步地，拉伸损伤指标表示如下：
[0016][0017]其中是等效塑性应变增量，b1是损伤常数。
[0018]再进一步地，剪切损伤指标表示如下：
[0019][0020]其中b2是损伤常数。
[0021]再进一步地，静水压缩损伤指标表示如下:
[0022][0023]其中dμ
p
是塑性体积应变增量，b3损伤常数。
[0024]进一步地，当前时间步的结束时刻的等效应变率表示如下：
[0025]其中是瞬时应变率，是当前时间步开始时刻的等效应变率，是当前时间步结束时刻的等效应变率，η0是时间松弛因子，Δt是时间步，n和n+1是一个时间步的开始时刻与结束时刻，λ是等效塑性应变。
[0026]进一步地，所述方法还包括：
[0027]确定最大强度面和残余强度面，当等效塑性应变小于等于峰值应力时等效塑性应变时，通过插值屈服强度面和最大强度面描述混凝土材料应变硬化现象；
[0028]当等效塑性应变大于峰值应力时等效塑性应变时，通过插值最大强度面和残余强度面描述混凝土材料应变软化或损伤现象。
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.适用于高压、高应变率下的混凝土损伤本构模型构建方法，其特征在于，包括:引入修正系数来修正高围压段屈服强度面形式；通过引入拉伸损伤指标、剪切损伤指标和静水压缩损伤指标以及剪切损伤对拉伸损伤影响因子和静水压缩损伤对其他应力状态影响因子，确定等效塑性应变；引入时间松弛因子确定当前时间步的结束时刻的等效应变率。2.根据权利要求1所述的适用于高压、高应变率下的混凝土损伤本构模型构建方法，其特征在于，修正后的屈服强度面形式表示如下：其中σ
y
是屈服强度面，r
p
＝P/DIF，P是压力，DIF为动态增强因子，T是混凝土单轴抗拉强度，f
c
是混凝土单轴抗压强度，f
yc
是混凝土抗压屈服强度，a
1y
、a
2y
是材料常数，N是修正系数。3.根据权利要求1所述的适用于高压、高应变率下的混凝土损伤本构模型构建方法，其特征在于，所述等效塑性应变表示为：λ＝1
‑
(1
‑
δ
s
λ
t
)(1
‑
λ
s
)(1
‑
δ
h
λ
h
)其中λ是等效塑性应变，λ
t
是拉伸损伤指标、λ
s
是剪切损伤指标、λ
h
是静水压缩损伤指标，δ
s
是剪切损伤对拉伸损伤影响因子，δ
h
是静水压缩损伤对其他应力状态影响因子。4.根据权利要求3所述的适用于高压、高应变率下的混凝土损...

【专利技术属性】
技术研发人员：王银，孔祥振，方秦，洪建，相恒波，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军工程大学，
类型：发明
国别省市：