内聚单元模型在混凝土断裂数值模拟中的应用.pdf

西北工业大学
硕士学位论文
内聚单元模型在混凝土断裂数值模拟中的应用
姓名:虞青俊
申请学位级别:硕士
专业:结构工程
指导教师:吴子燕
20030301
摘要为是一个渐变过程——初始裂纹两侧的分离受到内聚力的阻挠,内聚力与张开量关键词:内聚单元,数值模拟,断裂,内聚关系,混凝土对于断裂的数值模拟一直是一个难点问题,无论在一般固体领域,还是在混凝土结构中。尤其是对于动态断裂问题,其数值模拟更是困难。新近得到广泛运用的内聚单元模型是专门为断裂数值计算而提出来的。内聚模型理论中,断裂认是由内聚关系确定的。内聚模型作为一个完全的断裂理论,不被任何材料特性、有限运动、非比例载荷、动力学或是试件的几何尺寸所限制。己证实此理论对复杂的断裂过程的模拟是有效的,包括:脆性材料的断裂、韧性材料的动态断裂和破碎、混凝土的动态测试等等。本文主要对内聚模型在混凝土断裂数值模拟中的应用做了一些讨论,并推导出了一种简单的二维六结点等参内聚单元,并用镅员嘈戳撕心诰鄣元的有限元程序对混凝土切口梁的断裂过程进行了计算。计算结果表明,此方法对于混凝土材料是适用的。西北工业大学··硕士学位论文
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绪论芯勘尘内聚模型理论中【浚狭讶衔J且桓鼋ケ涔獭!3跏剂盐屏讲嗟姆掷胧艿在国防军事运用上,飞机机场水泥混凝土道面在飞弹撞击下的动态损伤和侵彻机制,是一个很重要的问题。进行理论分析和数值实验模拟,为实弹射击提供指导,其研究结果对研究飞弹破坏敌方高层建筑、地下工事和道路的水泥混凝土结构具有一定的现实意义。混凝土是一种复合材料,由粗骨料和连续基质组成,基质由水泥浆和细砂粒的混合物组成。它的物理性质相当复杂,主要由复合体的结构决定,如水灰比、水泥和粗骨料的比例、粗骨料的形状和大小以及水泥的品种。然而混凝土材料由于其自身诸多的优点,广泛应用于许多重要结构工程,像近海平台、反应容器、核控制结构物和飞机跑道等等。人们对于混凝土力学性质的研究已经进行了相当长的时间。尤其是在年代以后,随着新型试验设备的出现,关于混凝土的试验研究取得了很多有意义的成果。由于混凝土是一种复杂的人造材料,对其力学性质进行理论和试验研究都存在很大的困难,所以我们必须进行混凝士结构的计算机辅助分析。本课题的主要目的是建立在对弹道穿透固体目标所做数值模拟上,此模拟需考虑许多复杂的材料行为,如接触与摩擦,热应力,断裂与破碎,应力集中等问题。固体在受到动力作用下的响应与静力作用下差别很大,目前对撞击问题的数值计算还不完善,在【恐校钣窳淌诘榷运堑亩琀试验用商用软件进行了弹塑性有限元分析,对裂尖应变及张开量进行了比较。结果表明,在裂缝开始扩展前,数值结果与实验结果符合完好,而当裂缝生长后,却偏离了实验结果。理由是在里,没有对裂缝起裂、生长过程进行准确模拟的模型。本课题所运用的内聚理论却能对撞击问题的断裂问题有很好的数值模拟。内聚力的阻挠,内聚力与张开量是由内聚关系确定的。内聚模型作为一个完全的断裂理论,不被任何材料特性、有限运动、非比例载荷、动力学或是试件的几何晒北■业大学··硕士学位论文
饕9ぷ疚哪谌莅才后的混凝土动态特性做出数值模拟。以及对已批准的武器装备预研基金项目一侵尺寸所限制。已证实此理论对复杂的断裂过程的模拟是有效的,包括,脆性材料的断裂、韧性材料的动态断裂和破碎、混凝土的动态测试【K远于混凝土结构的动态特性的研究也可以借助于内聚模型理论。本文主要对于内聚模型的应用作一些探索性的工作,以便为以后的混凝土动态特性做出数值模拟。以及对已批准的武器装备预研基金项目一侵彻多层间隙硬目标引信的动态特性,做出数值模拟。众所周知,侵彻武器ù┘椎⒋┘炸弹等嵌灾匾D勘晔凳┐蚧鞯墓丶淦鳎殖刮淦鞯囊攀潜Vつ芊窕偕目标的关键之一【啊@纾6院侥甘凳┐蚧鳎钣行У拇蚧骶褪且4莼俸侥水下舰体,使其沉入海水中。这就要求侵彻弹在穿透多层钢板目标以后,趋近水下舰体的位置引爆。而在侵彻多层诸如钢板的硬目标时,穿甲弹中的引信将要承受较高的过载。在这高过载的情况下,引信的动态特性如何拍芊裨谌绱烁的过载条件下不损坏馐且派杓频墓丶R虼耍芯恳旁谇殖苟嗖慵湎队目标过程中的动态特性,并指导引信的设计,对实旖最佳起爆控制,最大程度的摧毁目标有着重要的意义。如前所述,本文主要工作是内聚模型的应用作一些探索性的工作,以便为以彻多层间隙硬目标引信的动态特性,做出数值模拟。主要工作:⑼频剂硕炔谓缑婺诰鄣ピ#⒂肍语言编写了有限元程序,对混凝土切口梁在静力作用下的开裂进行了数值计算。第一章对混凝土结构的有限元分析及通常的断裂模型做了简要介绍:第二章介绍了内聚模型的一般理论:第三章推导了二维六结点等参界面内聚单元;第四章对混凝土切口梁的断裂进行了一些数值计算;第五章对内聚模型