文摘
先进的混凝土的配方RHT模型采用AUTODYN调查进行研究和数值研究RHT模型在各种加载条件下的实际表现。发现使用默认值的RHT模型不能模拟在各种加载条件下混凝土的实际行为。因此修改RHT模型中的参数提出了更好地捕捉这种加载条件下混凝土的实际行为。此外,数值模拟正常的混凝土板和多层混凝土板受爆炸载荷进行运用AUTODYN RHT参数默认和修改。实验数据从爆炸现场测试是用于验证所开发的数值模型。数值模拟的结果表明,使用修改后的RHT参数和现场爆破试验的测量一致的破坏模式,火山口直径,和加速度。因此,可以得出结论,RHT模型修改参数可以捕捉混凝土结构的力学行为。验证模型可以进一步用来进行参数研究关键参数的影响(即。、抗压强度、断裂能和厚度)混凝土结构的抗爆炸。
1。介绍
全世界的一个主要建筑材料用于混凝土结构和基础元素。目前,安全的生活环境的担忧和有效防护结构和基础设施。混凝土结构的性能受到严重的加载,如爆炸一直得到广泛的研究在过去的几十年里1- - - - - -5]。混凝土是一种脆性材料,由水泥浆、骨料和外加剂(可选)。混凝土的脆性行为和其他geomaterials,也就是说,岩石和土壤,呈现出明显不同的长处在压缩和紧张。混凝土还显示硬化和应变硬化行为静态载荷作用下的压力,以及应变率硬化之前在张力和压缩动态加载失败。当混凝土开始失败,它逐渐失去其载荷承载能力,这种现象也被称为应变软化[6]。
最近,专门研究一直致力于开发可靠的方法和算法来准确分析结构和基础设施的行为受到动态载荷。一些技术,如明确的数值分析代码AUTODYN [7]和LSDYNA [8)可用于建模冲击波和混凝土结构之间的互动行为。AUTODYN,不同的数值技术,如纯拉格朗日和场相互作用的算法,可用来分析之间的互动反应冲击波和爆炸荷载作用下混凝土结构3,9,10]。
有很多因素会影响数值模拟的可靠性。在这些因素中,材料模型中发挥着关键作用,因为它繁殖的基本物理机制在不同加载条件下材料。有许多近年来开发的混凝土材料模型,如RHT模型(1,11),混凝土损伤塑性模型(也称为垫72 LSDYNA r3模型)(11,12),和HJC的具体模型13,14]。这些强大的材料模型能够捕捉不同混凝土材料在不同加载条件下行为。当受到动态加载,如爆炸加载或高冲击荷载、混凝土显示了高度的非线性响应。此外,由于一般复杂的本构模型,参数的确定(即。,residual strength, failure strain, and failure criteria in model) also plays an important role in achieving the actual performance of the concrete materials. This requires sufficient understanding of the modeling formulation and the associated considerations.
本文的形成RHT模型hydrocode AUTODYN仔细评估和检查通过数值试验通过生成在不同压力条件下混凝土的应力-应变关系。的一些潜在问题RHT模型的模拟使用目前的形式突出显示和讨论。当前的框架内制定、修改RHT参数是推荐能够繁殖更现实的张力和压缩下的混凝土postpeak软化行为。此外,RHT模型默认和修改参数设置应用于模拟一系列物理测试混凝土板和多层爆炸加载下混凝土板。仿真结果与试验观察。使用修改后的RHT模型数值模拟结果也与那些使用垫72年LSDYNA r3模型。结论然后材料模型的基础上,探索和模拟混凝土板受爆炸载荷。
2。在AUTODYN RHT混凝土模型
RHT混凝土模型是一种先进的塑性模型对脆性材料由里德尔et al。1从恩斯特学院马赫。这个模型考虑一些健壮的特性,如压力硬化、应变硬化、应变率硬化、应变软化,第三不变量依赖。在应力空间中,三个与压力有关的表面,表面弹性极限表面,失败,剩余的表面(如图1),实现模型材料硬化和软化响应。这三种表面形成的关键是在下面几节中,讨论该模型可以进一步的详细描述(所1,10,11]。
2.1。弹性极限表面和Prepeak加载面
弹性极限表面主导着弹性应力。压力的增加,应变硬化表面发生,直到失败达到(如来在图1)。获得的表面是按比例缩小表面,可以使用下列方程表示: 的比例因子弹性拉伸应力的比值()或压应力()在各自的极限强度(极限抗拉强度或极限抗压强度)沿径向路径。考虑到混凝土启动张力下的非弹性行为在50 ~ 80%,在大约30%的压缩下各自的最大强度(10,15),在(1)与压力之间的变化线性相关值与单轴拉伸和单轴压缩(10]。抛物限制函数用于确保非弹性体积和偏应力之间的一致性11]。
prepeak加载表面随后通过插值定义之间的弹性呢和失败的表面使用硬化的斜率。这个图中可以看到2在单轴压缩的情况下,方程可以表示为 的定义和如图2。从图显示是失败前的塑性应变强度;是总塑性应变,可以由割线模量弹性极限表面和失败之间的表面。
2.2。失败的表面
在RHT模型中,失败的表面可以表示为一个函数的静水压力吗,矿脉角,应变率: 在哪里代表了压子午线,它可以表示为
在(4),表示材料的单轴抗压强度;和是两个常数模型参数没有维度;hydrotensile压力抗压强度归一化的吗;代表了动态增长因子(DIF)作为应变速率的函数。方程(3)表明,破坏面通过建立的旋转压液压轴子午线。乘以压缩子午线,剪切和紧张经脉在应力空间中可以考虑失败的表面。因此,可以写成(15] 在这/(参考图3)。矿脉的角度是第二个和第三个偏应力不变量的函数,它可以得到
图3演示了一个典型的偏剖面的形状的表面强度。应该注意到,对于混凝土材料偏节通常通过从一个三角形在低压(脆性材料)在高压圆形(韧性材料)15]。
2.3。残余表面和Postfailure表面
为了表示完全碎混凝土材料的强度,一个独立的残余强度表面用于RHT模型,可以表示为11] 在哪里和两个不变的参数没有尺寸,他们可以确定从实验数据的曲线拟合。这两个参数(和)确定混凝土材料的残余强度,将以下部分所示。
失败是启动后,损伤模型用于应变软化认为混凝土的负荷能力的逐渐丧失在达到其极限抗拉和抗压强度。这postfailure表面从失败中可以通过线性插值曲面剩余的表面(如来在图1和(8))和合并损伤因素D(见(9))。一个人 的损伤参量被定义为(10] 在这归一化压力变量和吗塑性应变增量。的方程,它可以观察到的损害因素依赖于标准化的压力形状参数和和最小破坏应变(在部分3,划分为两种类型:一种是吗最小的拉伸断裂应变,另一个是最小抗压破坏应变)。一个适当的选择的参数,,是至关重要的,以获得一个合理的postpeak软化行为的具体材料。这三个参数的默认值在RHT模型中发现的问题在某些情况下(9,10),因此将在以下部分提出修改。
3所示。数值试验
测试实际裂纹RHT软化行为的模型在张力和压缩,单元素测试进行评估元素在不同压力条件下的应力-应变关系。详细的单元素模拟方法可以在找到10]。
3.1。张力软化
RHT模型,hydrotensile失效标准是默认的张力失效标准这意味着如果拉应力在一个元素的值低于指定的限制,假设拉伸断裂发生。同时,拉伸断裂应变是预定义的hydrotensile失效标准(默认拉伸断裂应变),这表明失败拉应力和应变不改变大小不同的元素,因此大大mesh-dependent断裂能量的价值。这些现象可以清楚地解释为(10)在AUTODYN [7]: 在哪里拉伸断裂应变,拉伸断裂应力,是断裂能量,元素的特征长度。在AUTODYN 3 d,是一个球体的直径相同的体积三维元素(7]。
在(10),很明显,对于给定的拉伸断裂应变和拉伸断裂应力,更大的元素的断裂能量大小可能比一个更小的元素的大小。然而,众所周知,断裂能量的一个重要参数脆性材料的拉伸软化行为的模拟,因此骨折能量值通常是在数值模型中指定。在目前的研究中,裂纹软化失效标准(7,17)是用来考虑拉伸软化行为的模型断裂能量。裂纹失效标准采用线性软化软化法,后,拉应力峰值,一个常数强度退化率发生开裂应变。因此,拉伸断裂应力()和断裂能量()给出裂纹软化失效标准作为输入参数。在破解过程中,离散裂缝宽度()涂抹在一定距离,通常等于元素的特征长度。计算出的裂纹应变也可以(10)。
图4报告单一元素的仿真结果在不同压力条件下采用默认hydrotensile失效准则和裂纹软化失败标准。后两个失效标准之间的比较,发现使用默认hydrotensile失效标准倾向于显示一个不切实际的下行过程中应变软化范围紧张。例如,对于一个单轴拉伸测试如图4(一),最终的破坏应变的0.01,这是超过一个数量级高于普遍观察到的拉伸断裂应变从物理测试15]。然而,当采用裂纹失效标准软化,RHT模型提出了更实际的性能在不同压力条件下的拉伸断裂应变如图4。这一修改也更适合模拟混凝土材料的损伤模式的爆炸载荷作用下将另一个应用程序示例中所示4。
(一)
(b)
(c)
3.2。压缩软化
剪切裂缝通常出现在达到屈服极限。超过屈服极限,具体展品软化行为与屈服应力和刚度退化。这样的混凝土塑性行为,更具体地说,压缩软化行为,必须考虑到本构模型。图5(一个)表明,混凝土采用默认RHT参数具有较高的残余强度的21 MPa postpeak域在低压政权是不合理的。具体的模型更现实的,已经采取了两个步骤来获得合理的残余强度和破坏应变。首先,剩余屈服应力应该改变(5]。从表面残留的公式,它是发现和控制最终的残余强度。一些试验后的值和1.1和0.9,分别提出了替代默认值为1.6和0.61,分别。这样修改,剩余屈服应力显著降低,这提高了混凝土材料在低压政权的行为。它也观察到,混凝土的抗压破坏应变使用默认RHT模型参数如图0.01左右4(一),比现实的更大价值。因此,以下步骤是用来调整抗压破坏应变和损伤参数。基于(9),发现抗压破坏应变影响总破坏应变在较低压力下(≤)。因此,调整为0.001使总应变值0.1%左右的单轴压缩和更合理的实验结果相比6]。破坏参数控制的速度累积损伤。压缩下的失败行为的参数控制软化分支在峰值强度后的形状。在这项研究中,改为0.02和吗基于数值测试保持不变。
(一)
(b)
(c)
数据5(一个)和5 (b)目前单个元素的应力-应变曲线在单轴和双轴抗压测试基于数值模拟使用RHT修改参数。是观察到的材料修改RHT参数正常繁殖的行为下的混凝土单轴和双轴按压。图5 (c)显示了三轴压缩试验的应力-应变曲线与不同的约束压力基于数值模拟采用修改后的RHT参数。是观察到的峰值强度增强了监禁的增加。这是一个现实的具体的行为在三轴压缩实验中观察到的数据(15]。
4所示。修改后的RHT模型的验证
为了进一步研究的适用性RHT模型修改参数的分析混凝土结构面临严峻动态加载,RHT模型是用来模拟全面爆炸现场测试正常的混凝土板和多层混凝土板。然后比较仿真结果与实验观察。简要介绍该领域的爆炸测试正常的混凝土板和多层混凝土板下面,可以找到更多的细节在16]。
4.1。现场爆破试验配置和仪表
两个样品测试在现场爆破试验,也就是一个普通混凝土板样本和一个多层混凝土板样品。这两个板的横截面的细节表1。多层混凝土板采用沥青混凝土(AC),高强度混凝土(HSC),并策划胶结复合材料(ECC)从上到下。每个板受到一个爆炸引爆。放置炸弹相当于7.3公斤TNT电荷重心的大约170毫米以上的中心板表面。这两个样品是演员在网站的维数在长度和宽度2.8米,厚度0.275米。
图6显示了完成正常的混凝土板和多层混凝土板和四个锚。锚是用来固定板在地上。标准测试的材料属性为每个材料,进行和结果总结在表2。加强AC层使用的土工格栅在这项研究是Polyfelt微型智能电网" mg - 100与双向拉伸强度100 kN / m,它有一个光圈大小7毫米。
(一)普通混凝土板完成
(b)多层混凝土板完成
各种仪器安装在板测量路面板在爆炸的反应。图7显示了仪表安装在板上。四个加速度计安装在中间两边的板测量垂直(V1和V2图7)和横向加速度(H1和H2图7)。加速度传感器安装在钢结构板一起打的。现场爆破试验的测量结果将讨论并与数值模拟结果在接下来的部分。
4.2。验证1:普通混凝土板受爆炸载荷
4.2.1。准备数值模型
建立三维数值模型模拟正常的混凝土板受爆炸加载如图8。四分之一的板坯建模考虑对称。在模型中,最初的爆炸和冲击波传播建模使用一个轴对称二维模型。在冲击波到达板之前,冲击波分布重新映射到一个3 d模型。地基土的厚度尺寸825毫米和2800毫米的长度和宽度。拉格朗日Eight-node六面体元素一点高斯积分用于表示混凝土板和地基土。板和地基土之间的相互作用被认为是使用接触算法。在AUTODYN penalty-based接触是用来检测“奴隶”之间的渗透表面和表面“大师”。渗透时发现,一个力成正比的穿透深度来抵制渗透。因此,界面力可以计算基于弹性弹簧理论(7]。
空气和爆炸波建模使用欧拉元素。爆炸荷载作用于混凝土板可以通过执行拉格朗日和欧拉元素之间的交互。在欧拉拉格朗日元素应用几何约束元素,而欧拉拉格朗日提供压力边界元素。为了使拉格朗日和欧拉元素有效交互,重要的是欧拉元素大小等于或小于拉格朗日元素的大小。因此,网格收敛性分析使用的大小9毫米,8毫米,7毫米,6毫米和5毫米,4毫米,3毫米为欧拉元素在当前研究中执行。拉格朗日元素的大小是固定的10毫米的收敛性研究。注意,3毫米是尽可能最小的尺寸为欧拉元素使用可用的计算机资源。在收敛性研究中,压力和脉冲施加在板的中心部分监测和比较。收敛性研究之后,发现4毫米大小的欧拉和拉格朗日10毫米元素在当前模型优先考虑最佳的CPU时间和计算机资源。
空气流出的边界条件允许空气流出。地基土,传输条件是用来模拟半无限空间。上的锚板模拟3 d模型中的不动点。RHT模型修改参数被用来模拟混凝土板受爆炸载荷、和一个弹塑性Drucker-Prager模型15是用来模拟地基土。空气的参数、地基土和普通混凝土在表中给出3- - - - - -5,分别。
4.2.2。结果与讨论
数据9(一个)和9 (b)显示,混凝土板的破坏模式在数值模型中使用默认参数和那些使用修改后的RHT参数相比,那些在爆炸现场测试如图9 (c)。小得多的陨石坑和严重破坏裂缝数值模拟中观察到使用默认RHT参数比现场试验后观察。这样的结果表明,使用默认的RHT参数可能很大程度上低估了混凝土板的破坏模式爆炸荷载作用下的裂缝和坑直径。混凝土板的模拟参数使用默认RHT似乎表现得明显韧性的方式。这也发现单一元素测试使用RHT模型使用默认参数值。采用修改后的RHT参数时,混凝土板的损坏和故障模型的数值分析与实验结果具有可比性的火山口直径和裂缝分布图如图9 (b)和9 (c)。
(一)损伤模式,默认RHT模型
(b)的破坏模式与修改RHT模型
(c)爆炸事件后正常混凝土板的物理伤害
普通混凝土板的破坏模式模拟使用修改后的RHT参数然后使用垫价格相比72年LSDYNA r3模型(8]。详细的数值模型使用垫72 r3材料模型LSDYNA可以称为(16]。使用垫子72 r3模型数值模拟结果图10。数据9 (b)和10表明,混凝土板的破坏模式模拟使用两种材料模型几乎是相同的。然而,火山口直径72垫r3模型预测小于修改RHT模型和现场爆破试验后观察。这是可能的,不同的爆炸模拟方法和不同网格尺寸采用LSDYNA的数值模型。考虑到有20个参数需要确定72年垫r3模型使它耗费时间建立一个可靠的数值模型,修改参数的RHT模型是更适合模拟爆炸载荷作用下混凝土结构的快速评估受损。
表6报告的结果,混凝土板的垂直和水平加速度从现场测量和数值模型。发现之间的垂直加速度值的变化从现场试验和数值模拟是6.8%左右,而数值模拟预测垂直加速度高于价值以现场爆破试验。然而,在固有的变化在爆炸现场测试,6.8%的预测偏差的数值模拟结果从现场爆破试验结果可以被认为是可以接受的。水平加速度,得到了两种不同的读数从加速计因为电荷不是完全放置在板上面的中心。从表中可以观察到,横向加速度在数值模拟预测是正确的两个加速度测量值的平均值。
4.3。验证2:多层混凝土板受爆炸载荷
4.3.1。数值模型
多层混凝土板尺寸和网格大小的数值模拟是一样的那些普通的混凝土板。用于空气和地基土的参数表中给出的相同1和2。多层混凝土板的数值模型如图11。每个材料的厚度一致,用于现场爆破试验节中提到的4.1,100毫米的ECC层,对HSC层100毫米,75毫米的钢筋沥青层。边界条件和爆炸的位置是相同的对于普通混凝土板模型,详细的部分4.2。
实验室检测(18]表明,土工格栅增强抗拉强度的材料如果土工格栅是补充道。因此,在当前的数值模型,建模的沥青层是与更大的刚度和拉力强度来考虑土工格栅的包容。用于沥青材料的参数表7。高强度混凝土(HSC),修改参数的RHT模型的方法是用来模拟考虑的材料抗压强度高。RHT模型修改的参数也是用来模拟ECC材料考虑其较高的抗压强度和优良的延性性质。HSC和ECC材料的参数给出了表8和9,分别。
4.3.2。结果与讨论
多层混凝土板的破坏模式的结果爆炸后的数值模拟数据所示12(一个)和12 (b)。数据12 (c)和12 (d)现场试验后的破坏模式。现场试验的沥青层拆分成几个爆炸后的碎片,在数值模拟时,只有一个集中的火山口生产和没有观察到的片段。这可能是因为Drucker-Prager模型可能不适合模拟碎片。此外,需要注意的是,AC层主要是被高温和爆炸压力现场爆破试验中观察到。一个先进的沥青材料模型考虑温度效应的在未来的研究应该探索。
(一)损伤沥青层的轮廓
(b)损伤与修改RHT HSC层模型的轮廓
(c)沥青层的物理伤害
(d) HSC层的物理伤害
删除后沥青层,HSC层的破坏模式在现场测试如图12 (d)。HSC层的损伤模式数值模拟如图12 (b)。火山口的直径大约是0.7米的现场试验,0.75年的数值模拟。这两个结果是接近对方。HSC层的损伤模式模拟使用修改后的RHT参数相比,使用垫72 LSDYNA r3模型如图13(16]。可以看出使用这两种材料模型的模拟结果具有可比性的破坏模式和火山口直径。因此,修改后的RHT模型可以代表真正的爆炸加载下的混凝土板的行为。
表10报告的结果多层混凝土板的垂直和水平加速度从现场测量和数值模拟获得。垂直加速度的数值模拟非常接近现场试验后测量小偏差为5.3%。双方两个水平加速度数据是不一样的,因为不是完全位于板上方的中心。
5。结论
本文集中研究RHT模型的方程hydrocode AUTODYN。发现使用默认RHT等参数hydrotensile失效标准,残余强度参数和破坏应变无法预测混凝土材料在不同加载条件下的现实行为。通过数值研究行为的混凝土材料在不同加载条件下,拉伸断裂等关键参数标准,残余强度参数,和破坏应变参数控制的行为混凝土在单轴、双轴、三轴拉伸/压缩进行了讨论,修改RHT参数提出了改进模型。此外,数值模拟混凝土板和多层爆炸载荷作用下的混凝土板采用AUTODYN RHT默认和修改参数。通过现场爆破试验验证了数值模拟。基于数值模拟,将修改后的RHT参数再现了更现实的结构行为比默认RHT爆炸载荷作用下的参数。数值模拟的结果使用RHT模型修改参数相应的现场试验结果吻合较好,包括破坏模式,火山口直径,和加速度数据。修改参数的数值模型使用RHT模型相比还是那么垫72年LSDYNA r3的普通混凝土板和多层混凝土板。观察,预测损伤模式和使用RHT火山口直径模型修改后的参数和使用垫72 r3模型展示一个更好的与实验结果进行比较。考虑到参数需要垫72 r3模型,使它耗时建立数值模型,修改参数的RHT模型是首选的模拟爆炸荷载作用下混凝土结构的快速受损评估。 Hence, it can be concluded that the current numerical model using AUTODYN with modified RHT model could represent more realistic behavior of concrete structures under blast loading. The numerical model developed in this paper can be further used to conduct a parametric study on the influence of key parameters (i.e., compressive strength, fracture energy, and thickness) on blast resistance of concrete structure.
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突。
确认
这个研究的一部分是由科学研究基金会赞助的归侨学者、中国国家教育部(批准号E262021514)、青年教师培训计划从上海教育委员会(批准号ZZGCD15053),从上海工程技术大学基金会(批准号E10501140170)。