混杂纤维高强高性能混凝土抗冲击性能数值仿真.pdf

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1、垫些』壁垒型塾些箜坠坚堕塾L——一江酉建挝廑旦班窒混杂纤维高强高性能混凝土抗冲击性能数值仿真■吉久茂，蔡庚午，丁明浩一广州大学土木工程学院，广东广州510006摘要：采用有限元软件ANSYS／LS—DYNA分析平台，对钢纤维、聚丙烯纤维等混杂纤维混凝土(HFRHSC)试件在强动载作用下力学相响应进行了仿真分析，主要针对混杂纤维混凝土的霍普金森压杆冲击试验过程进行数值仿真。采用了HJC(Holmquist—Johnson—Cook)破坏模型，针对混凝土材料冲击损伤破坏的本构模型来计算动态冲击作用下混凝土材料的变形问题。表明

2、了试件内部应力趋于均匀前，经历初始状态的应力震荡；相同的冲击速度下，HFRHSC试件各个时刻的破坏程度轻于没有参加任何纤维的的基本混凝土试件，基本验证了混杂纤维对混凝土力学性能的改良效用。关键词：混杂纤维高强混凝土霍普金森压杆冲击劈拉数值仿真1引言目前常规混凝土普遍存在收缩变形大，抗裂能力低，脆性大的严重不足。如何有效解决抗裂问题已成为工程界的热点课题[1qj。钢纤维对阻止硬化混凝土裂缝扩展有良好效果。可以提高混凝土的抗拉强度和韧性，改善混凝土的耐久性能_40J。聚丙烯纤维可以提高混凝土的韧性、耐火性，而且造价低廉L8棚

3、一。利用钢纤维、聚丙烯纤维等合成纤维在解决混凝土早期塑性开裂，减少混凝土干燥收缩变形方面具有十分独特的作用E9～13J。由于立方混凝土中乱向分布有数千万根甚至数亿根合成纤维，形成三维有力的空间支撑体系，改善了混凝土的内在品质，使混凝土的抗渗性、抗冲击、抗冻融、抗高温爆裂和抗疲劳等耐久性得到显著提高，延长了结构的使用寿命。基于混杂纤维的优良特性，钢纤维、聚丙烯纤维等混合成的混杂纤维高强高性能混凝土(hybrid—fiber—reinforcedhigh—stren昏hcon．Crete)特别适合于军工所选用的防护材料-3J

4、。目前有关该材料的抗冲击性能已成为国内外军事研究的热点，研究内容主要从真实的武器冲击试验、实验室的模型冲击试验、数值仿真试验三个方面展开。武器试验耗资巨大且不安全因素居多，模型试验则难以观测试件内部微观力学效应，数值仿真可以弥补实验室所不能观测的现象，为前两者的实验分析提供有力的理论依据。本研究拟采用显式动力有限元软件LS—DYNA，对混杂纤维高强高性能混凝土(钢纤维体积率0—3％，聚丙烯纤维体积率为0．12％)在分离式霍普金森压杆(splithopkin—sonprssbar，SHPB)试验中的试件冲击劈拉性能进行数值

5、仿真。2模拟对象材料抗冲击性能试验常采用SHPB装置13o(见图1)。子弹、入射杆及透射杆为钢制材料，长度分别为0．5，4，2．0m，半导体应变片贴于入射杆及透射杆中部，与试件距离均为0．8m。发射装置入射杆试件·8·缓冲器[二=]图1SItPB模拟装置示意图(--～一——／一、⋯一⋯一jL竺二＼=，／[L二兰一ji：：：上止：』图2冲击劈裂拉伸实验中的试件在SHPB中具体放置示意图通过相关专业程序处理L2J，可以得出试件在冲击过程中的应变率与应力一应变曲线。采用LS—DYNA软件对三种不同混合纤维体积率HFRHSC试件

6、破坏过程进行模拟，从细观力学角度得出不同时刻试件的破坏形态，针对混杂纤维对混凝土的力学性能影响进行理论探讨。3数值仿真方法3．1HJC模型t”13．1．1状态方程HJC模型可以采用下图所示的状态方程曲线表示。第一阶段(OA)是线弹性阶段，静水压力和体积应变的关系可以表示为K=p／斗，其中：K为体积弹性模量；P。和斗。分别为静水压力和体积应变；第二阶段(AB)是过渡阶段，混凝土材料内部发生变形。第三阶段(BC)为完全密实阶段，当压力达到Pl，表示混凝土内部气孔被完全压碎，其关系常用三次多项式表示。plp‘0图3混凝土静水压

7、力一体积应变曲线31．2HJC模型的屈服面方程盯+=[A(1一D)+BP+1】(1+Clne2)(1)其中：o4和P+为实际等效应力和静水压力分别除以材料的静态抗压强度L得到的量纲为一的等效应力和静水压力；s‘为真实应变率除以参考应变率8。得到的量纲为一的应变率；D为损伤度；A、B、N、C为材料的强度参数。3．1．3损伤演化方程HJc模型以等效塑性应变和塑性体应变的累积来描述损伤，其损伤演化方程为n一_垒!!±垒!Pr，、“一‘￡；+upf、。7其中△￡。，和△u。分别为一个计算循环内的等效塑性应变和塑性体积应变；s：和

8、u：分别为常压下破碎的等效塑性应变和塑性体积应变。3．2碰撞接触面冲击过程中，有关碰撞的接触面选择有三种：第一，单面接触，即为一个物体表面与另一个物体表面接触；第二，点面接触，即一个物体的一个面同另一个物体的目标点接触；第三，面面接触，是当一个物体穿透另一个物体时所选用的接触方式。本仿真选用的是单面、自动接触(Sin