混凝土材料动态间接拉伸和层裂试验的数值模拟

作     者：廖礼 

作者单位：合肥工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：巫绪涛

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：SCB试验 BD试验 层裂试验 HJC本构 应力波衰减规律 

摘      要：本文利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对冲击荷载作用下混凝土类材料的两类间接拉伸(包括半圆弯曲试验简称SCB试验和巴西圆盘试验简称BD试验)和层裂试验进行了数值模拟。间接拉伸试验部分：试样分别采用了线弹性和Holmquist-Johnson-Cook(简称HJC)动态本构两种模型,对两种动态间接拉伸试验中沿用静态线弹性理论计算抗拉强度的误差进行了分析,得到如下的研究结果：,(1)当SCB试验弧形垫块角度a在15°到25°,试样直边加载支座间距L与试样直径D的比值L/D在0.6到0.8,圆棒垫条半径r在0.004m到0.006m范围内,BD试验弧形垫块角度β在18°到24°范围内,两种试验方法用静态弹性理论计算动态抗拉强度的最大误差均不超过9.8%。且两种本构模型模拟结果的误差不超过2%。(2)冲击载荷作用下,SCB试验中试样起裂点始终为直边中点,而BD试验中试样起裂点不固定。在相同的加载情况下,SCB试验中试样的最大拉应力与最大压应力的比值显著大于BD试验,因此SCB试验更适合混凝土等脆性材料动态间接抗拉强度的测量。层裂试验部分：主要对混凝土、岩石类脆性材料的层裂试验进行了有限元模拟,得到如下的研究结果：(1)研究了应力波在该类材料中传播的衰减规律,包括两类机制：弹性波峰值由于大尺寸试样几何弥散产生的小幅度线性衰减,与应变率相关的粘塑性波由于本构导致的指数衰减。在此基础上,本文提出了包含常数项的指数型应力波峰值拟合公式。建议采用可以忽略应力波衰减影响的细长试样进行层裂试验。(2)对脆性材料的层裂破坏进行了研究,有限元模拟得到的层裂片厚度与一维应力波理论非常吻合,验证了按一维应力波理论确定层裂强度试验方法的有效性。(3)通过对比三种不同入射波形下的层裂片形状及净拉应力波形,发现非对称的入射波形状更有利于试验中获得平直的层裂断面和较准确的层裂强度。