非均质复合材料静动态力学性能研究

【摘要】混凝土是国民经济和国防建设中使用最为广泛的工程建筑材料,钢筋混凝土结构是所有防御工事的结构形式,以抗爆、抗侵彻为背景,研究混凝土材料在冲击载荷作用下的力学性能,有着重要的学术意义以及广泛而直接的应用价值。本文以实验研究,理论分析和数值模拟相结合对混凝土材料性能进行了系统的深入研究,并取得了如下标志性成果：1)在国内首次针对C40素混凝土的动静态力学性能开展了全面而系统的实验研究和理论研究,对C40素混凝土材料在冲击荷载下显著的应变率效应、压力相关屈服效应、损伤演化特性和体积压缩特性等,给出了科学的描述,建立了C40素混凝土含损伤压力相关、应变率相关的动态本构关系和相应的状态方程,并确定了相关的材料参数。所建立的分段式屈服准则比Mohr-coulomb准则更加严谨和有普适性,同时所建的指数型屈服准则不像在Ls-dyna软件中所采用的JH-2准则那样,需要人为假设“完整材料”和“压碎材料”两个屈服面,而是通过损伤量D的演化,比较自然地刻画了材料从完整到破碎的整个过程,因此所建立的新屈服准则在力学上更加科学严谨,而且涉及材料参数较少并易于确定。所提出的折线型状态方程便于工程分析应用,而所提出的多项式状态方程则便于数值计算应用2)以细观损伤力学“等效微孔洞体系”、“等效微裂纹体系”、“有核长大”的思想以及能量耗散原理为基础,对C40混凝土的压剪耦合型和拉伸型损伤给出了科学的细观统计描述,并以实验和理论相结合的方法建立了材料的压剪耦合型损伤演化方程和拉伸型损伤演化方程,确定了其中的材料参数,所涉材料参数较少且物理意义明确,演化方程形式简洁便于应用,将C40素混凝土材料的损伤明确区分为压剪耦合型损伤和拉伸型损伤并分别给出其损伤演化方程,比起国内外当前广泛采用的一些损伤描述和损伤演化方程说来是重要进展,具有创新意义。以应力空间中的屈服函数和修正的Drucker公设为基础,从本构理论中的内变量理论出发,建立了新的增量型本构关系和计算流程,所建立的本构关系同时适用于硬化材料、理想塑性材料和软化材料,而且很便于动态问题特别是高速冲击问题的应用,通过对所建立的增量本构关系的讨论指出了：只有屈服准则与压力完全无关的材料其体积变形才是完全弹性的,从而压力和偏应力的计算才可以完全解耦,这就是所谓的“压剪解耦”的“流体弹塑性模型”；而对压力影响屈服的压剪耦合屈服准则,例如混凝土类材料,其塑性体积变形总是存在的,因而压力和偏应力的计算必是完全耦合的,“流体弹塑性模型”不再适用提出了“广义半径回归法”的本构算法和严格增量本构算法,并将其应用于混凝土材料本构计算,给出了具体的计算流程。所提出的“广义半径回归法”,既指出了其适用条件,也给出了对其适用性的严格证明,这在理论上和工程应用上都有创新意义：所提出的严格增量本构算法,严格以增量本构理论为基础,所提出的算法和公式是全新的,简洁实用,有理论和应用价值。以C40混凝土含损伤动态本构的研究结果为基础,结合C50混凝土的部分实验结果,并参考国内外有关实验数据,给出了适用于C40～C50混凝土的含损伤动态本构关系及相应材料参数,扩大了研究成果的应用范围6)以非均质复合材料本构关系理论为指导,给出了钢筋混凝土等效的含损伤动态本构关系和相应材料参数的计算方法,为侵爆问题的等效工程计算奠定了基础。
【作者】李平；
【导师】李永池；
【作者基本信息】中国科学技术大学，工程力学，2014，博士
【关键词】混凝土；钢筋混凝土；本构关系；损伤演化；屈服准则；应变率效应；状态方程；严格增量算法；层裂；侵彻；

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