考虑非线性和应变率效应的材料交互界面数值模拟方法
发布时间：2021-11-12 23:37
有限元数值计算中常采用界面单元模拟材料交互界面,只有准确定义界面单元的本构关系才能反映材料交互界面的实际粘结性能,才能进一步确保结构整体力学行为模拟结果的准确可靠。材料交互界面的实际粘结性能一般具有非线性特征。且由于应变率效应的影响,在动态荷载作用下材料交互界面的粘结性能与准静态荷载作用下的性能不同,粘结强度呈现出随应变率提高而增加的趋势。然而,目前考虑应变率效应的材料交互界面数值模拟研究较少。考虑了应变率效应的数值模拟在定义界面单元本构关系时几乎都没能同时考虑材料交互界面粘结性能的非线性和应变率效应。同时,在现有界面单元支持的有限元材料模型中也没有任一本构模型同时考虑了材料非线性和应变率效应。本研究针对上述有限元应用领域材料交互界面动态粘结性能模拟受限的问题,开发了同时考虑非线性和应变率效应的界面材料模型子程序。本研究首先对常用的界面单元进行比较,确定将采用内聚力单元模拟材料交互界面。随后提出了一种同时考虑非线性和应变率效应的材料交互界面本构关系。之后基于内聚力单元的特点和上述本构关系开发了界面材料模型子程序。采用单个内聚力单元模型验证了所开发的界面材料模型在切向、法向及混合模态下的...
【文章来源】：昆明理工大学云南省
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
弹簧单元示意图
昆明理工大学硕士学位论文10中轴向弹簧单元各个节点分别具备3个自由度，即沿X轴、Y轴和Z轴的平移，可以通过控制节点的自由度确定轴向弹簧单元的轴向。图2.1弹簧单元示意图Fig.2.1Schematicrepresentationofthespringelement图2.2弹簧单元布置示意图[33]Fig.2.2Schematicrepresentationofthespringelementlayout[33]当弹簧单元用于模拟材料交互界面时，如图2.1所示，其中节点1与材料交互界面处其中一种材料连接，节点2与另一种材料连接，可以通过节点之间的相对位移反映材料交互界面的两种材料之间的相对位移。Godat等[33]采用轴向弹簧单元作为界面单元对FRP-混凝土界面进行了数值模拟研究，其弹簧单元的布置示意图如图2.2所示。图中混凝土节点应和对应的FRP节点在有限元模型中位置重合，为了表明弹簧单元的布置，图2.2中将两者拆开表示。图2.2中，弹簧单元的一个节点和混凝土节点连接，另一个节点和对应的FRP节点连接。由于混凝土节点和对应的FRP节点位置重合，弹簧单元的长度被定义为零。在有限元模型建立时，需要格外注意弹簧单元的布置方式，通常弹簧单元的轴向需要和作用力的方向保持一致。例如，弹簧单元在模拟材料交互界面切向的粘结滑移性能时，弹簧单元的布置必须保证其轴向与材料交互界面的剪切方向平行。这样弹簧单元的变形才能代表材料交互界面的滑移，弹簧单元的轴力才能反映材料交互界面的粘结应力。在确定弹簧单元的布置方式后，弹簧单元的本构关系反映了材料交互界面的粘结性能。弹簧单元的本构关系建立的是力与位移之间的关系，而一般材料交互界面的粘结性能通过应力与位移之间的关系反映。如FRP-混凝土界面的粘结滑移关系[10]，FRP-钢界面的粘结滑移关系[12]和钢筋混凝土界面的粘结滑移关系[41]，都
昆明理工大学硕士学位论文12互界面性能。虽然可以通过组合弹簧单元同时考虑界面法向及切向的粘结性能，但由于两个方向弹簧单元相互独立，这种方式缺乏混合模态下的破坏准则。因此采用弹簧单元不能准确模拟材料交互界面混合模态下的性能。2.1.2桁架单元桁架单元可以用作材料交互界面数值模拟时的界面单元。桁架单元类似于一根细长杆，一般由两个节点组成。各个节点分别具备三个自由度，即沿X轴、Y轴和Z轴三个方向的平移。该单元只能传递轴力不能传递弯矩，典型的桁架单元如图2.3所示。其中节点K仅用于确定横截面的初始朝向，不能与1节点和2节点共线。使用桁架单元需要定义单元的实常数，即横界面尺寸，该横截面尺寸必须大于零。除此以外，两节点线性桁架单元的本构关系通过应力和相对位移之间的关系定义。图2.3桁架单元示意图Fig.2.3Schematicrepresentationofthetrusselement部分研究采用桁架单元作为界面单元对材料交互界面进行数值模拟研究，例如Ebead和Neale[35]对FRP-混凝土界面采用桁架单元进行了数值模拟。文献[35]中主要模拟了FRP-混凝土界面受剪发生破坏，模型中桁架单元连接了FRP片材和混凝土试块。和弹簧单元类似，桁架单元不仅代表着胶层的性能，而是代表着FRP和混凝土粘结处的整体界面行为。Ebead和Neale[35]在建模时桁架单元的布置和弹簧单元的布置相同，依旧保证桁架单元的轴向和作用力的方向一致。这种情况下，桁架单元的轴向和FRP-混凝土界面的剪切方向平行，桁架单元的变形代表了界面的滑移，桁架单元的应力代表了界面的切应力。和弹簧单元相比，桁架单元是有长度的，在Ebead和Neale[35]建立的平面应力模型中，桁架单元的横截面代表了FRP-混凝土界面的剪切面，因此桁架单元的横截面面积是单元的长度和FRP片材宽?
【参考文献】：
期刊论文
[1]树脂混凝土/钢界面剪切的内聚力模型[J]. 陈光,黄莉,周新伟,郑立霞. 玻璃钢/复合材料. 2017(08)
[2]不均匀胶层对CFRP板加固梁的界面应力影响[J]. 杜运兴,侯春旭,周芬. 湖南大学学报(自然科学版). 2017(03)
[3]型钢高强混凝土界面黏结传力机理及影响因素分析[J]. 应武挡,陈宗平. 土木工程学报. 2016(09)
[4]基于局部损伤混凝土模型的FRP-混凝土界面有限元分析研究[J]. 李晓琴,陈建飞,陆勇,杨贞军,许清风. 西安建筑科技大学学报(自然科学版). 2015(01)
[5]CFRP-混凝土界面黏结-滑移关系试验[J]. 孙延华,叶苏荣,熊光晶,刘金伟. 建筑材料学报. 2014(06)
[6]FRP-混凝土界面粘结行为的参数影响研究[J]. 彭晖,高勇,谢超,崔潮,张克波. 实验力学. 2014(04)
[7]基于ABAQUS的表面内嵌CFRP筋粘结滑移性能数值模拟分析[J]. 张海霞,何禄源. 工程力学. 2014(S1)
[8]碳纤维板-混凝土界面黏结性能的试验研究与有限元分析[J]. 尚守平,李知兵,彭晖. 湖南大学学报(自然科学版). 2014(06)
[9]FRP片材-混凝土界面应变率效应试验研究[J]. 施嘉伟,朱虹,吴智深,吴刚. 土木工程学报. 2012(12)
[10]数字图像相关法测量FRP片材与混凝土界面的黏结滑移关系[J]. 施嘉伟,朱虹,吴智深,戴宜全,何小元,吴刚. 土木工程学报. 2012(10)
博士论文
[1]冲击荷载下CFRP加固钢筋混凝土梁和框架的动力性能研究[D]. 刘涛.湖南大学 2017
[2]考虑界面非连续变形的钢—混凝土组合梁桥数值模拟研究[D]. 林建平.浙江大学 2014
硕士论文
[1]冲击荷载下CFRP与混凝土界面粘结力学性能试验研究[D]. 代小青.湖南大学 2014
本文编号：3491865
【文章来源】：昆明理工大学云南省
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
弹簧单元示意图
昆明理工大学硕士学位论文10中轴向弹簧单元各个节点分别具备3个自由度，即沿X轴、Y轴和Z轴的平移，可以通过控制节点的自由度确定轴向弹簧单元的轴向。图2.1弹簧单元示意图Fig.2.1Schematicrepresentationofthespringelement图2.2弹簧单元布置示意图[33]Fig.2.2Schematicrepresentationofthespringelementlayout[33]当弹簧单元用于模拟材料交互界面时，如图2.1所示，其中节点1与材料交互界面处其中一种材料连接，节点2与另一种材料连接，可以通过节点之间的相对位移反映材料交互界面的两种材料之间的相对位移。Godat等[33]采用轴向弹簧单元作为界面单元对FRP-混凝土界面进行了数值模拟研究，其弹簧单元的布置示意图如图2.2所示。图中混凝土节点应和对应的FRP节点在有限元模型中位置重合，为了表明弹簧单元的布置，图2.2中将两者拆开表示。图2.2中，弹簧单元的一个节点和混凝土节点连接，另一个节点和对应的FRP节点连接。由于混凝土节点和对应的FRP节点位置重合，弹簧单元的长度被定义为零。在有限元模型建立时，需要格外注意弹簧单元的布置方式，通常弹簧单元的轴向需要和作用力的方向保持一致。例如，弹簧单元在模拟材料交互界面切向的粘结滑移性能时，弹簧单元的布置必须保证其轴向与材料交互界面的剪切方向平行。这样弹簧单元的变形才能代表材料交互界面的滑移，弹簧单元的轴力才能反映材料交互界面的粘结应力。在确定弹簧单元的布置方式后，弹簧单元的本构关系反映了材料交互界面的粘结性能。弹簧单元的本构关系建立的是力与位移之间的关系，而一般材料交互界面的粘结性能通过应力与位移之间的关系反映。如FRP-混凝土界面的粘结滑移关系[10]，FRP-钢界面的粘结滑移关系[12]和钢筋混凝土界面的粘结滑移关系[41]，都
昆明理工大学硕士学位论文12互界面性能。虽然可以通过组合弹簧单元同时考虑界面法向及切向的粘结性能，但由于两个方向弹簧单元相互独立，这种方式缺乏混合模态下的破坏准则。因此采用弹簧单元不能准确模拟材料交互界面混合模态下的性能。2.1.2桁架单元桁架单元可以用作材料交互界面数值模拟时的界面单元。桁架单元类似于一根细长杆，一般由两个节点组成。各个节点分别具备三个自由度，即沿X轴、Y轴和Z轴三个方向的平移。该单元只能传递轴力不能传递弯矩，典型的桁架单元如图2.3所示。其中节点K仅用于确定横截面的初始朝向，不能与1节点和2节点共线。使用桁架单元需要定义单元的实常数，即横界面尺寸，该横截面尺寸必须大于零。除此以外，两节点线性桁架单元的本构关系通过应力和相对位移之间的关系定义。图2.3桁架单元示意图Fig.2.3Schematicrepresentationofthetrusselement部分研究采用桁架单元作为界面单元对材料交互界面进行数值模拟研究，例如Ebead和Neale[35]对FRP-混凝土界面采用桁架单元进行了数值模拟。文献[35]中主要模拟了FRP-混凝土界面受剪发生破坏，模型中桁架单元连接了FRP片材和混凝土试块。和弹簧单元类似，桁架单元不仅代表着胶层的性能，而是代表着FRP和混凝土粘结处的整体界面行为。Ebead和Neale[35]在建模时桁架单元的布置和弹簧单元的布置相同，依旧保证桁架单元的轴向和作用力的方向一致。这种情况下，桁架单元的轴向和FRP-混凝土界面的剪切方向平行，桁架单元的变形代表了界面的滑移，桁架单元的应力代表了界面的切应力。和弹簧单元相比，桁架单元是有长度的，在Ebead和Neale[35]建立的平面应力模型中，桁架单元的横截面代表了FRP-混凝土界面的剪切面，因此桁架单元的横截面面积是单元的长度和FRP片材宽?
【参考文献】：
期刊论文
[1]树脂混凝土/钢界面剪切的内聚力模型[J]. 陈光,黄莉,周新伟,郑立霞. 玻璃钢/复合材料. 2017(08)
[2]不均匀胶层对CFRP板加固梁的界面应力影响[J]. 杜运兴,侯春旭,周芬. 湖南大学学报(自然科学版). 2017(03)
[3]型钢高强混凝土界面黏结传力机理及影响因素分析[J]. 应武挡,陈宗平. 土木工程学报. 2016(09)
[4]基于局部损伤混凝土模型的FRP-混凝土界面有限元分析研究[J]. 李晓琴,陈建飞,陆勇,杨贞军,许清风. 西安建筑科技大学学报(自然科学版). 2015(01)
[5]CFRP-混凝土界面黏结-滑移关系试验[J]. 孙延华,叶苏荣,熊光晶,刘金伟. 建筑材料学报. 2014(06)
[6]FRP-混凝土界面粘结行为的参数影响研究[J]. 彭晖,高勇,谢超,崔潮,张克波. 实验力学. 2014(04)
[7]基于ABAQUS的表面内嵌CFRP筋粘结滑移性能数值模拟分析[J]. 张海霞,何禄源. 工程力学. 2014(S1)
[8]碳纤维板-混凝土界面黏结性能的试验研究与有限元分析[J]. 尚守平,李知兵,彭晖. 湖南大学学报(自然科学版). 2014(06)
[9]FRP片材-混凝土界面应变率效应试验研究[J]. 施嘉伟,朱虹,吴智深,吴刚. 土木工程学报. 2012(12)
[10]数字图像相关法测量FRP片材与混凝土界面的黏结滑移关系[J]. 施嘉伟,朱虹,吴智深,戴宜全,何小元,吴刚. 土木工程学报. 2012(10)
博士论文
[1]冲击荷载下CFRP加固钢筋混凝土梁和框架的动力性能研究[D]. 刘涛.湖南大学 2017
[2]考虑界面非连续变形的钢—混凝土组合梁桥数值模拟研究[D]. 林建平.浙江大学 2014
硕士论文
[1]冲击荷载下CFRP与混凝土界面粘结力学性能试验研究[D]. 代小青.湖南大学 2014
本文编号：3491865
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