冲击载荷作用下材料和结构力学行为有限元模拟-卢剑锋

冲击载荷作用下材料和结构力学行为有限元模拟FiniteElementSimulationonMechanicalBehaviorofMaterialsandStructuresSubjectedtoImpactLoading（申请清华大学工学硕士学位论文）院（系、所）：工程力学系学科：固体力学研究生：卢剑锋指导教师：庄茁教授2003年6月密级：公开I关于学位论文使用授权的说明本人完全了解清华大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存该论文。(涉密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名：导师签名：日期：摘要II摘要材料经受冲击载荷的作用归结于一个动态的过程，通常伴随着高应变率，容易导致材料和结构的突然失效。因此研究高应变率材料的力学行为，对于开发新型材料，提高结构的抗破坏能力，具有重要的科学研究和工程应用意义。本文对金属材料和混凝土结构进行冲击载荷作用下力学行为的研究。对于金属材料，应用分离式Hopkinson压杆（SplitHopkinsonPressureBar，简称SHPB）实验与有限元模拟相结合的方式，研究不同应变率下的金属塑性行为。在实验方面，选择了应用广泛的SHPB实验，通过冲击载荷在试件中产生高应变率。在传统SHPB实验基础上对信号的采集方式做了进一步的改进，提高了信号的分离度。材料本构模型以经典的Johnson-Cook（JC）幂硬化模型为基础，给出了模型的修正形式，综合考虑了应变硬化，应变率硬化和温度软化三种主要因素。在JC模型基础上，引入了等效塑性应变失效准则，准确地描述了金属材料的塑性失效行为。为了确定复杂模型中的待定参数，使用变量分离方法和昀小二乘法原理建立了数值拟合程序，在保证精度的同时简化了参数的拟合过程。利用商用有限元程序ABAQUS中强大的用户材料接口，将本构模型与ABAQUS接合起来，可以用于高应变率下金属塑性行为的有限元模拟。由于用户材料子程序采用了完全隐式的算法，比显示算法提高了解答的精度。通过对SHPB实验进行不同应变率下的有限元模拟，实验数据与有限元模拟结果吻合，验证了所开发的JC模型用户材料子程序和采用的隐式算法具有良好的求解精度和收敛性。对于混凝土材料，使用商用有限元程序ABAQUS对钢筋混凝土结构的冲击过程进行了有限元模拟。混凝土使用了ABAQUS中自带的弥散裂纹模型和损伤塑性模型，并分别通过REBAR和嵌入单元两种方式模拟了混凝土中钢筋对结构的加强作用。通过分析和比较，损伤塑性模型能更好地描述混凝土受冲击的动态过程。没有预应力加强筋，混凝土只能承担较大的压缩应力，不能有效地阻止拉伸应力作用下的开裂，因此建议在结构中施加预应力加强筋，防止混凝土中大面积弥散裂纹的产生。关键词：冲击载荷，金属塑性，本构模型，钢筋混凝土，有限元模拟AbstractIIIAbstractIt’sadynamicprocedureformaterialsundergoingimpactloading.Generally,veryhighstrainratewillbeachievedintheimpactevents,whichmayleadtosuddenfailureofmaterialsandstructures.It’simportanttostudythehighstrainratebehaviorofmaterialsforscientificresearchandengineeringpractice,suchasdevelopingnew-stylematerialsandenhancingtheanti-destructionabilityofstructures.Thisthesiswillfocusonthemechanicalbehaviorofmetalsandconcretessubjectedtoimpactloading.Formetalmaterials,themetalplasticitybehaviorunderdifferentstrainrateswillbestudiedthroughacombinedmethodofthesplitHopkinsonpressurebar(SHPB)testandthefiniteelementsimulation.Thewide-usedSHPBtestisemployed,whichcanachieveuniformhighstrainrateinthespecimenconveniently.Somemodificationsaremadetothesignalmeasurements,andasaresult,thesignalresolutionisgreatlyimproved.Inconsiderationofthehighstrainratebehavior,amodifiedformoftheclassicJohnson-Cookstrengthmodelisdeveloped,whichinvolvesthreefactors:strainhardening,strainratehardeningandtemperaturesoftening.Besidesthestrengthmodel,afailurecriterionbasedonequivalentplasticstrainisadoptedandtheplasticfailurebehaviorofmetalsiswelldescribed.Todeterminetheunknownparametersinthecomplexmodel,wedevelopaspecialnumericalfittingprogram,inwhichthevariablesdissociationtechniqueandtheleastsquaremethodareusedtosimplifythefittingprocess.ThroughthepowerfulusermaterialinterfaceUMATsuppliedbythecommercialfiniteelementcodeABAQUS,theJohnson-CookconstitutivemodelisconjugatedwithABAQUS.Becauseofthefullyimplicitintegrationalgorithm,theindeterminatesolutionswhichfrequentlyoccurinotherexplicitschemesareprevented.Usingthisimplicitscheme,severalgroupsoffiniteelementsimulationsunderdifferentstrainratesarecompletedinABAQUS/Standard.TheresultsinABAQUSapproximatetheSHPBtestdataverywell.Therefore,highprecisionandgoodconvergencequalitiesoftheusermaterialsubroutineareverified.Forconcretematerials,theimpacteventsofareinforcedconcretestructurearestudiedusingABAQUS.Theconcreteismodeledbythesmearedcrackingmodelandthedamagedplasticitymodel,andthereinforcementsintheconcretestructureareAbstractIVmodeledbyREBARandembeddedelements,respectively.Afterfiniteelementsimulations,thedamagedplasticityconcretemodelcanwelldescribethedynamicbehaviorofconcretes.Thereinforcementsbearmostcompressionloadsinthestructure,butcan’tarrestthesmearedcrackscausedbytensionstressesintheconcreteeffectively.Werecommendthatthepre-stressbarshouldbeappliedindecreasingthesmearedcracksinthestructure.Keywords:impactloading,metalplasticity,constitutivemodel,reinforcedconcrete,finiteelementsimulation目录V目录第一章课题背景..........................................................................................11.1常用的冲击实验.............................................................................11.1.1分离式Hopkinson压杆实验................................................11.1.2泰勒（Taylor）杆冲击实验.................................................31.2冲击问题的相关数值研究..............................................................41.2.1强化模型..............................................................................41.2.2失效模型..............................................................................61.3研究对象及研究内容......................................................................91.3.1SHPB实验及有限元模拟......................................................91.3.2钢筋混凝土圆柱形结构的倾倒分析...................................101.4论文结构和说明...........................................................................10第二章SHPB实验.....................................................................................112.1SHPB实验装置.............................................................................112.2实验数据的获取与处理................................................................132.3小结.......................................................................