文摘

冲击载荷可能导致严重甚至致命的损害结构(组件),在中国大多数现有规范,没有特别条款,考虑冲击载荷。因此,结构的响应分析(组件)在冲击负载的情况下是非常重要的。本文进行了灵敏度分析的22个参数Holmquist-Johnson混凝土(HJC)混凝土的本构模型,和敏感HJC模型的参数识别一个,B,G,P_l,μ_l,f_c分别。LS-DYNA非线性瞬态有限元分析代码是用于本文。基于对有限元建模和验证选择RC梁的跨中挠度和冲击载荷响应指标,一些影响因素对钢筋混凝土梁在落锤冲击下调查,如落锤的质量和速度,影响位置,混凝土和钢筋的强度,纵向配筋率,和梁的跨度。

1。介绍

影响是一种灾难,它分为直接的威胁,如恐怖袭击和车辆碰撞和间接威胁引起的交通事故和地震的次生灾害。因此,可以看出,影响结构的威胁正在增加。近年来,研究了影响负荷的问题用不同的方法。混凝土材料的动态特性是一个重要因素来确定使用计算机模拟结构的准确性,所以混凝土材料的动态特性的一个重要研究课题。是应变率效应导致之间的主要区别在于混凝土材料的动态和静态特性,指具体的现象,更高的力学行为与加载速度增加(1]。效应的发现意味着开始的混凝土动态力学性能的研究。比绍夫和佩里2]总结在这一领域的研究成果和分析早期混凝土的应变率效应之间的关系,增加强度系数。实验方法的主要方法是研究混凝土的动态属性,和液压加载、落锤冲击加载装置,分离式霍普金森压杆(SHPB)加载,加载板影响混凝土的受欢迎的方式是快速加载。列出了四种加载模式的比较表1。

一些学者提出的本构模型可以应用于问题和验证计算的准确性的影响:元素测试混凝土的本构模型广泛应用于有限元模拟的影响问题进行了不同加载条件下由你和陆模式的适用范围和使用条件进行了总结;有限元模拟是进行爆炸冲击问题,和结果表明,混凝土损伤模型(MAT72)软件LS-DYNA可以很适合实验结果,和RHT AUTODYN也显示了良好的准确性(7]。14国际会议在导弹的应变率相关本构model-HJC模型(MAT111),适合模拟高度非线性大变形,提出了Holmquist和约翰逊(8图书馆在LS-DYNA]和纳入材料。

HJC模型是一种常用的混凝土本构模型的有限元分析的影响,及其参数值模型的关键问题是在有限元建模。然而,现有混凝土HJC模型参数值表中没有被用于各种各样的混凝土强度,这导致困难的应用模型。为了获得准确的参数值,需要测试材料的属性。然而,HJC模型有22个参数,确定所有参数是一个大量的工作。因此,HJC模型参数进行了灵敏度分析,分为两类,(即敏感参数。、参数的变化会导致重大变化的计算结果)和(即非敏感参数。、参数的变化不会导致重大变化的计算结果)。这样,当我们采用该模型,可以确定的敏感参数实验和非敏感参数可以由HJC模型,因此,测试工作参数测量将会大大减少。

有两种类型的研究方法对影响钢筋混凝土结构和构件问题:实验和数值研究。在实验方面,岸et al。9]进行RC梁冲击试验考虑尺寸、配筋率,和体重下降的速度为变量和冲击力,支持反应,和跨中挠度测试目标,和能量耗散规律和荷载位移关系曲线得到的高强度混凝土梁的影响作用下,和Zhang et al。10)发现断裂能量和冲击力峰值的成员的应变率成正比。此外,应变率的临界值,当应变速率小于,两座山峰变化缓慢,否则,它会带来相应的负面影响。苗族et al。11,12)提出了一个动态响应的封闭解无限梁放在基础考虑水平切向载荷效应下的影响。Fujikake et al。13)提出了一个double-degree-of-freedom模型计算最大的跨中挠度,质-弹和最大冲击力以及实验和模型计算的结果是在良好的协议。在计算机模拟方面,岸et al。14- - - - - -16]应用LS-DYNA建立关于影响问题的RC梁的有限元模型,计算后,影响力量,支持的力量,位移、裂缝分布进行计算,并与实验结果进行比较。阿巴斯et al。17)建立了钢筋混凝土梁的有限元模型对影响问题和比较模型模拟的结果与实验数据,验证了有限元法的可靠性。材料的应变率效应和钢筋混凝土的约束被认为,和钢筋混凝土梁的力学性能受到轴向力模拟使用由Thilakarathna LS-DYNA et al。18]。此外,将实验数据与仿真结果进行比较,验证了有限元模型的准确性,和简化模型计算冲击力和漏洞评估。

混凝土材料的参数值的准确性,一般通过实验,有一个重要的影响模拟结果的影响。∗∗和MAT_072 MAT_111 (HJC模型)适用于低速冲击问题。的∗MAT_072模型可以自动生成材料参数,但HJC模型没有类似的简化模型。此外,HJC模型有22个参数,其中18个参数与材料特性有关,当使用HJC模型模拟混凝土,这些18参数的确定是一项非常繁琐的工作。如果这些18参数可以称之为敏感和非敏感参数,工作负载在确定参数时可以减少通过材料性能实验。本文的建模问题RC梁基于HJC模型研究了下体重下降的影响。分析结果,重点是验证的可靠性与19]。在此基础上,钢筋混凝土梁的冲击响应影响因素研究,如落锤的质量和速度,影响位置,混凝土和钢筋的强度和纵向配筋率。

2。HJC模型的参数敏感性分析

2.1。HJC模型

HJC模型被定义为∗Mat_Johnson_Holmquist_Concrete LS-DYNA K文件,最近已广泛应用领域的爆炸、冲击和其他大变形、高应变率。有22个参数模型中,结果与实验和仿真结果吻合较好。

16岁的22个参数可以分为三类:(1)强度参数:一个,B,C,N,G,年代_马克斯(2)损伤参数:D₁,D₂,ε_f最小值(3)压力参数:P_c,μ_c,P_l,μ_l,K₁,K₂,K₃

其他材料号6参数中,密度ρ,混凝土的抗压强度f_c混凝土的抗拉强度T,应变率 ,和故障类型f_年代。

HJC模型是线性弹性之前失败的混凝土。具体的收益时,损害开始积累。当混凝土完全失败,该应力状态仍在残余应力状态。

通过减少最初的失败表面上凝聚力,材料屈服后的强度,和初始表面被定义为失败 在哪里和分别归一化材料强度和压力,等效塑性应变率归一化根据参考应变率(1 /年代), , , 和材料常数,是材料最大强度的值。

屈服面HJC模型被定义为

在方程(2),物质损失指数被定义为 在哪里 , ,和代表的等效塑性应变增量和塑性体积应变增量,分别代表了开裂应变与静水压力如下: 混凝土单轴抗拉强度在使用规范化的抗压强度,和材料参数,的截止值最低开裂应变。

在许多混凝土动态本构模型,HJC模型在世界范围内得到了广泛的应用,因为它简洁合理的描述和计算程序的适用性。Holmquist等人提出的一组参数对混凝土的抗压强度(48 MPa)基于HJC模型,如表所示2。

表中列出的参数2只有适合的混凝土抗压强度f_c= 48 MPa,其他混凝土的强度f_c,有必要确定具体的参数值的材料实验中,因为HJC模型有18个参数相关的力学性能,实验是一个非常大的工作量。为了确定HJC模型混凝土的其他力量,这些参数可以分成敏感性和无灵敏度参数。因此,以下部分的主要工作是进行HJC模型的参数敏感性分析。

2.2。HJC模型的参数敏感性分析

HJC模型参数众多,如果仅仅依靠实验来获得所有的材料参数等有经济、时间限制。从工程应用的角度,HJC模型参数的敏感性分析,然后采用不同的测定方法对不同的参数,即充分利用现有实验数据和少量的材料实验获得HJC模型的关键参数。为特定的工程计算,应该仔细考虑敏感性参数值,实际的测量也应该提高准确性。对应于低敏感性参数,根据引用值可能是决定以满足计算需求和精度。

除了使用原始值表2敏感分析需要进行18 HJC模型的参数。本文采用四种变量水平,即。±20%±40% (20.]。提取的变量水平目标函数的四个水平和获得灵敏度参数根据方程(5)。此外,敏感性分析是由对称碰撞模型(图1),两个气缸完成高速碰撞利用HJC模型。中心节点的位移峰值降低汽缸和压力峰值的中间部分元素作为目标函数,并计算灵敏度值获得不同变量下的水平,本文识别敏感参数和总结敏感参数的影响趋势。参数灵敏度分析的过程如图2。

参数敏感性定义如下 在哪里表示目标函数,水平的变量 , , 代表了参数值表2。

有22个参数HJC模型:6强度参数:一个,B,C,N,G,年代_马克斯;3破坏参数:D₁,D₂,ε_f最小值;7压力参数:P_c,μ_c,P_l,μ_l,K₁,K₂,K₃;和其他6个参数:材料号中期,密度ρ,混凝土的抗压强度f_c混凝土的抗拉强度T,应变率 ,故障类型f_年代。材料号中期,密度ρ,应变率 ,故障类型f_年代不相关的材料的机械性能,因此,进行灵敏度分析仅为18参数。

有两个目标函数的灵敏度分析:圆柱的中心的峰值位移节点B #和中间部分的应力峰值元素。根据方程(5),获得每个参数在表的灵敏度3。

确定一个敏感参数的方法是当有一个数量级的区别位移灵敏度值和最大灵敏度值,它是确定参数是一个敏感性参数,恰恰相反,它认为参数是一个无灵敏度参数。在表3,每个参数有两个灵敏度值,即。,the displacement and stress, and the maximum sensitivity value of the displacement is 0.432, while that of the stress is 0.927. When any one of the two sensitivity values of a parameter reaches the standard of the sensitivity parameter, it is determined that the parameter is sensitive.

根据参数表3,我们可以确定参数的敏感性一个,B,G,P_l,μ_l,f_c。对于这六个参数,如果研究人员确定参数的自己的价值,它是适当的进行详细的实验,和其他16个参数可以根据表确定2。

3所示。影响因素分析RC梁在体重下降的影响

3.1。有限元建模和验证

岸等人研究了RC梁的响应下400公斤体重下降通过数值和实验研究。此外,RC梁图所示的信息3和表4。使用LS-DYNA软件包,动态进行了模拟分析,分析结果与[16),验证仿真分析的可靠性。此外,进一步的分析提供参考分析钢筋混凝土梁的冲击响应基于HJC模型。

目前最普遍的钢材本构Cowper-Symonds模型和Johnson-Cook模型(21]。其中,Cowper-Symonds模型应用于计算的动态应变率低的问题,而Johnson-Cook模型应用于计算的高应变率的动态问题。在本文中,由于相对较低的应变速率,采用Cowper-Symonds模型如下: 在哪里是钢的应变率,是应变率的应力值 , 是钢静态应力下的应力值, ,和代表了材料参数。

∗MAT_003钢筋的本构模型是常用的LS-DYNA,可以从实验中获得的材料属性。由于缺乏实验数据,应用经验值,例如 , (22- - - - - -25]。相应的材料参数如表所示5。

在表5中期是材料ID, RO材料的密度,E公关是泊松比,弹性模量SIGY屈服强度,伊顿是切线模量,β是硬化参数(0∼1),SRC相似在方程(6),SRP相似在方程(6)、FS是破坏应变和VP是应变率效应(0或1)。

相比∗MAT_CONCRETE_DAMAGE混凝土本构模型,∗MAT_CONCRETE_DAMAGE_REL3的简单类型和更容易输入参数,和三张参数(表6),而nonsimplified模型需要定义7-card参数。

在表6中期是材料ID, RO材料的密度,E弹性模量,公关是泊松比。一个0是消极的抗压强度,RSIZE从英寸长度单位的换算因子m, UCF是压力单位的转换因子psi Pa, LCRATE是曲线的应变率和动态增强因子。

参数LCRATE要求曲线表达应变率之间的关系和动态增强因子(即。,应变速率对应于一个动态增强因子),列在表中7。

∗MAT_003本构模型和元素LINK160用于钢筋,和∗MAT_CONCRETE_DAMAGE_REL3 SOLILD164是用于混凝土和元素。沙漏控制的能源可以细化网格和命令∗CONTROL_HOURGLASS。钢筋和混凝土之间的粘结方法是治疗常见的节点。混凝土和钢筋的应力应变特征用于有限元分析钢筋图所示4。主要混凝土和钢筋的材料参数和剪切钢筋表中列出4。钢落锤、支持装置和锚板被建模为弹性体。杨氏模量和泊松比被假定为206 GPa和0.3,分别。有限元模型如图5。

岸(15]研究了反应型RC梁承受400公斤体重下降的影响通过实验和有限元分析。影响速度是4.6米/秒,6.5 m / s, 8.4 m / s,分别。力响应和中跨梁位移的影响进行了研究,结果如图5- - - - - -7(黑色虚线的有限元计算结果,实验结果的黑色实线,蓝色实线是本文分析结果)。

在他的论文中,相同的三种冲击速度4.6米/秒,6.5 m / s, 8.4 m / s被认为是使用LS-DYNA和冲击力跨中位移响应和4130节点与岸(15)如图5- - - - - -7,分别。

本文分析结果相比的结果(19),它可以观察到RC跨距中点位移的时程曲线几乎是相同的曲线的总体趋势,和高峰值[吻合较好17)(包括实验值和有限元计算);有大约5%的错误,残余位移也是类似的。可以认为RC梁的跨中位移是在良好的协议与19]。冲击力的反应,它可以观察到的冲击力时程曲线几乎是类似于(19),曲线的趋势是一个脉冲紧随其后几衰减振荡。最大冲击力值的误差在10%以内。

通过添加关键字单词∗MAT_ADD_EROSION和设置适当的失效标准,可以认为钢筋混凝土梁裂缝。采用应变控制失败和破坏应变设置为0.003。通过计算,钢筋混凝土梁的开裂状态可以得到如图8。

从图8,它可以发现底部的RC梁的截面拉伸断口出现由于弯矩,严重的剪切开裂发生在整个跨度,剪切裂缝延伸的影响部分的底部部分的支持。图9是类型的裂纹梁承受400公斤落锤冲击试验速度4.6米/秒(25]。通过比较数据8和9的裂缝模式,我们可以发现两个相似,这也进一步证实了模型的正确性。

3.2。分析影响因素

因为有很多因素影响钢筋混凝土梁响应的影响,采用参数化建模方法。一方面,在梁的设计,跨度,断面尺寸,钢筋梁图所示3,钢筋和混凝土的力学性能如表所示4。另一方面,质量下降的体重是400公斤,和速度是6米/秒。最后,RC梁的边界条件是固定的两端。一些影响因素(混凝土强度、纵向钢筋比梁跨度的长度,影响位置、质量下降的体重,和影响速度)将基于HJC模型的讨论。

3.2.1之上。对混凝土强度的影响

首先在静力学的范畴,混凝土的强度是一个重要的钢筋混凝土梁的性能指数。因此,有趣的是在研究混凝土的强度对动态响应的影响。其次,通过HJC模型的参数敏感性分析,6敏感性参数确定:一个,B,G,P_l,μ_l,f_c。一个,B,G,f_c属于强度参数,P_l和μ_l属于压力参数。第三,不同强度混凝土的数值实验(f_c= 38、40、48 MPa)进行。敏感性参数如表所示8。其他无灵敏度参数值是根据表确定2。

在确定的参数三种混凝土不同强度、强度的影响冲击响应分析进行了钢筋混凝土梁在落锤冲击。反应比较RC梁的跨中位移和冲击力图所示10。

如图10 ()有小的差异RC梁的跨中位移的响应。此外,当混凝土的强度变化从33 MPa提高到48 MPa,跨中位移的峰值下降从17毫米约14毫米,变化范围的不到20%,而位移振荡部分,即称为峰值位移后剩下的部分,变化很少。如图10 (b)时程曲线的影响力量三种混凝土几乎完全重合,和变化范围小于5%。此外,冲击力的持续时间和峰值振荡部分还几乎一致。

比较结果表明,混凝土强度的变化范围从30 MPa 50 MPa有点影响影响钢筋混凝土梁的位移响应,但对冲击力的影响反应更小。

3.2.2。纵向钢筋的比例影响

三种纵向钢筋的直径(Ф20、Ф24Ф28)选择进行比较分析,结合截面大小显示,配筋率的钢筋混凝土是0.0118,0.0170,和0.231,分别。

响应的RC梁的影响下得到体重下降的影响。跨中位移的对比和冲击力下比较三种纵向钢筋比例如图11。

如图(11日),它可以发现有很大差异RC梁的跨中位移响应的不同比率的纵向钢筋。与纵向钢筋的比率的增加,跨中位移有效地减少。当纵向钢筋的比率从1.18%增加到2.31%,跨中位移响应峰值下降了一半以上,和振荡段的位移也显著降低。此外,如图11 (b)力响应的RC梁的影响,不同比例的纵向钢筋也极大地影响,最大冲击力增加约40%的比率从1.18%到2.31%。振动部分的价值也相应增加,但振荡时间相对较短。

比较结果表明,配筋率是影响反应的一个重要因素RC梁,它有很大的影响的反应跨中位移和力的影响。

3.2.3。影响梁跨度的长度

四种梁跨度的长度(2.0米,2.4米,2.8米,3.2米)。相应的跨中位移和冲击力比较图所示12。

从图的比较12(一个),可以发现,有一个伟大的RC梁的跨中位移响应的差异与不同长度的梁跨度。随着跨度的增加,跨中位移急剧增加,当跨度变化从2.0米到3.2米,跨中位移增加两倍以上。特别是对于3.2米跨度的长度,可以看出,跨中位移达到最大值,不再复苏,这表明具体的损害更加严重。如图12 (b)的冲击力反应RC梁不同跨度的长度也大大受到影响,和最大冲击力响应随跨度长度的增加而减小。例如,最大冲击力下降约30%,当跨度从2.0增加到3.2。和振荡环节也往往是温和的,而响应时间相对较长。比较结果表明,梁跨度的长度是一个重要因素对跨中位移的响应和RC梁的冲击力。

3.2.4。影响影响地位

影响模型的位置的中跨梁(1/2),和其他三个影响职位视为3/8,1/4,梁跨度的1/8。相应的跨中位移和冲击力比较图所示13在落锤冲击。

可以看到从图的比较(13日),当同一RC梁受到的影响在不同的位置,有一个显著差异在下面的位移响应立即点的影响。当影响位置移动越来越接近支持点(或远离的中跨梁),跨中位移明显减小。例如,当位置的影响从1/2 1/8跨度,位移减小40%以上,和振动的位移部分减少。影响位置移动到1/8跨度时,可以观察到有一个显著波动振荡峰值位移后段,这表明光束有很好的弹性和它的伤害非常小。图13 (b)表明最大冲击力几乎不受影响,当钢筋混凝土受落锤冲击在不同位置的影响。和位置的影响变得更接近的支持梁,振荡时间较长和后级增加峰值振荡。

结果表明,影响位置有很大的影响在跨中位移和明显的反应对振动的影响。

3.2.5。影响质量和体重下降的速度

的质量和速度下降的体重通常是用来测量冲击强度和两个物理量,冲动和动能,也可以用来测量冲击强度。探索四个因素的影响反应混凝土梁的影响,本节将设计9组的工作条件与质量和速度。九套的工作条件如表所示9。

计算9速度和质量的工作条件组合,模拟的结果与结果在以下四个方面。

的比较1、2、3和4的工作条件如图14。一方面,挠度响应有显著差异,挠度增加明显增加的质量下降。例如,锤的质量从400公斤增加到700公斤,挠度增长超过60%,振荡部分偏转的价值增加,这意味着梁受到损害。一方面,如图14 (b)当RC梁的影响在不同质量、冲击力的峰值几乎没有影响,但振荡时间延长,振幅峰值后降低。

比较结果表明,锤的质量是一个重要因素对反应的影响。对偏转的反应有很大的影响,对振荡部分明显的影响。

比较3、5、6、7的工作条件如图15。一方面,挠度响应有显著差异,挠度增加明显的速度增加。例如,锤的速度增加从4米/秒到7米/秒,峰值增加1倍以上,振荡部分挠度值的增加,这意味着梁受到损害。另一方面,正如图所示15 (b)当RC梁的影响在不同的速度、冲击力的峰值显著增加,振荡时间延长,峰后的振幅增加。

比较结果表明,锤的速度是一个重要的因素影响的反应,显著影响挠度响应和强迫响应的影响。

作为显示在图(16日),同样的冲动并不能保证在同一挠度响应,这是进行工作条件1、5、8。此外,B4600之间的区别和B8300跨中挠度的峰值约一倍,和振荡的振幅的差异也非常大。从的角度动能,动能越大的工作条件,脉冲偏转越大反应常数。

作为显示在图16 (b),同样的冲动并不能保证在相同的冲击响应。例如,梁的振幅B8300是相对于束B4600约80%。根据动量定理,该地区的三个冲击力时程曲线应该是平等的,这意味着峰值持续时间成反比,证明在B4600 > B6400 > B8300图16 (b)。可以得出结论,当脉冲是相同的,动能越大的工作条件将导致更大的冲击力响应,但相应的冲击力持续时间往往很短。

作为显示在图(17日),我们可以发现,只有轻微的区别三梁跨中挠度曲线,对不同的偏差在10%以内。因此,我们认为,当其他条件相同,体重下降的动能的影响在跨中挠度测量和参考指数,这意味着如果锤子有相同的动能,它将产生偏转的影响相似甚至相同的峰值响应。

作为显示在图17 (b),冲击力峰值的变化幅度大于挠度值。例如,梁的振幅B8424是相对于束B4600下降到20%。根据动量的视图,它可以得出结论,当动能是相同的,较小的脉冲工作状态将导致更大的冲击力响应,不匹配的初始猜测。但B8424冲击力曲线的面积大于B4600,这表明,实际情况与理论是一致的势头。

4所示。结论

敏感性分析是进行的22个参数Holmquist-Johnson混凝土(HJC)混凝土的本构模型。基于验证有限元建模和选择的RC梁的跨中挠度和冲击负荷指数的反应,一些影响因素对钢筋混凝土梁在落锤冲击了使用LS-DYNA非线性瞬态有限元分析。这个研究的结果如下:(1)混凝土HJC的6敏感性参数本构模型一个,B,G,P_l,μ_l,f_c。同时,应该注意的是,如果目标函数的选择是不一样的,参数敏感性分析的结果可能不是相同的。当峰值挠度的影响表面被选中作为目标函数,P_l和μ_l不敏感参数,但是当压力影响身体的中间元素被选中作为目标函数,这两个参数很敏感。(2)明显的跨中位移响应的影响因素是纵向钢筋的比率,梁跨度,影响位置,质量,和体重下降速度的影响。明显的影响因素影响的反应力纵向钢筋的比率,梁跨度,影响位置,和体重下降速度的影响。(3)有两种方法来确定一个因素在跨中挠度的影响:首先判断是否有刚性的影响,梁跨度和碰撞点的位置,挠度随刚度增加;第二个是判断是否影响动能,像锤的速度和质量,挠度增加动能增加。最后,刚度是主要的基础上确定一个因素没有影响跨跨中挠度。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金(51278213和51278213),华中科技大学的创新基金会(2016 yxms093),湖北省技术创新的特殊项目(2017 aca183)和湖北省杰出青年自然科学基金(2017 cfa074)。