素混凝土材料的SHPB实验及其参数敏感性与不确定性分析

发布时间：2020-04-15 12:20

【摘要】：混凝土材料是最重要的工程结构建筑材料之一。由于混凝土结构在使用过程中经常承受动态冲击荷载,混凝土材料的动态力学性能一直是工程结构研究关注的重要课题。SHPB实验设备是被广泛用于测试各种材料动态力学性能的实验设备。然而,在混凝土材料的SHPB实验中,许多参数存在着不确定性,这些不确定性会对实验结果造成重要影响。本文首先开展了素混凝土材料的SHPB实验,通过对实验数据的分析验证了实验的有效性;其次,建立了数值模型并把数值模拟的结果与实验结果进行对比,验证了数值模型的有效性;然后,基于数值模型对素混凝土材料SHPB实验中的端面摩擦效应参数进行了敏感性与不确定性分析;最后,基于数值模型对素混凝土材料SHPB实验中的整体参数进行了敏感性与不确定性分析。本文的主要研究工作如下:(1)完成了两种强度的素混凝土材料在3种应变率下的SHPB实验,并通过实验数据分析对实验的有效性进行了验证。首先,介绍了SHPB实验装置的主要组成部分、基本原理;其次,描述了两种强度的素混凝土材料的制备过程;然后,完成了两类素混凝土材料在3个应变率下的SHPB实验,通过对实验记录的波形进行三波分析验证了实验的有效性,得到了6种工况下素混凝土材料的应力-应变曲线和对应的应变率;最后,分析了材料强度和应变率对动态力学性能的影响,包括动态抗压强度、动态吸能特性、破坏模式和高速摄像下的裂纹扩展。(2)建立了素混凝土材料SHPB实验的数值模型,并通过与实验对比验证了模型的有效性。首先,建立了与本文实验尺寸相同的SHPB实验的数值模型;其次,介绍了用于模拟素混凝土材料的Drucker-Prager材料模型参数的意义及其取值;最后,对数值模型进行求解和分析,分析了压杆中应力波的传播过程,验证了应力波传播的一维性,对比了数值模拟和实验得到的三个波形,验证了加载过程的一致性,对比了6种工况下数值模拟和实验得到的应力-应变曲线,验证了数值模型的有效性。(3)对素混凝土材料SHPB实验的端面摩擦效应参数进行了敏感性分析和不确定性分析。首先,对端面摩擦效应进行了应力波传播分析,将端面摩擦效应总结为三个参数;其次,根据实验的操作过程和试件的测量结果对不确定性的端面摩擦效应参数进行区间表示;然后,根据全因子实验设计和极差分析法对6种工况下的端面摩擦效应参数进行敏感性分析,讨论了参数之间的交互作用并给出了参数的敏感性排序;最后,使用非概率区间分析算法对端面摩擦效应参数进行了不确定性分析。通过对比不确定性分析的结果与实验结果,验证了该方法用于素混凝土材料端面摩擦效应参数不确定性分析的有效性。(4)对素混凝土材料的SHPB实验整体参数进行了敏感性分析和不确定性分析。首先,对实验操作过程进行分析,找出影响重复实验的不确定性参数;其次,依据实验操作过程和测量结果对各个参数的区间范围进行量化;然后,通过全因子实验设计和极差分析对8个整体参数进行敏感性分析,得出了整体参数的敏感性排序;最后,选取整体参数中敏感性排名前三的参数进行不确定性分析,通过把不确定性分析的结果与实验结果进行对比,验证了该方法用于整体参数不确定性分析的有效性。
【图文】：

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b）全球最长跨海大桥——港珠澳大桥 c）世界最高建筑——哈利法塔图 1.1 世界著名的混凝土建筑（图片来源于百度百科）以混凝土材料作为主要材料制作而成的建筑物被称为混凝土结构。各种混结构，不论是用于日常生活的还是用于国防建设的，在它们的使用过程中都需要承受设计载荷（一般是准静态载荷和蠕变载荷），而且还可能需要承受各载荷。近些年来，船舶撞击桥梁致使桥梁损坏的水上交通事故屡见不鲜，造成了

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【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU528

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