橡胶改性混凝土的SHPB试验数值模拟

摘要

中国是世界上废旧轮胎主要产生国之一。将废旧橡胶运用于公路建设中，可以提高路面的柔性，改善公路的耐高温性能，增强混凝土的抗冲击性能，同时能通过延缓路面老化来提高公路的服务年限，除此之外还能减小汽车产生的噪音。这是将有“黑色污染”之称的废旧轮胎转变成令人可喜的“黑色黄金”行之有效的措施。
　　本文在HyperMesh的LS-DYNA模板中建立橡胶改性混凝土SHPB试验有限元模型并导出求解文件，然后将文件提交给LS-DYNA3D进行求解计算，最后在HyperViev中观察分析橡胶混凝土受到冲击荷载后的变化过程和应力云图，与此同时，在HyperGraph中导出入射波、透射波与反射波的应变一时间曲线、应力一时间曲线，并应用“二波法”进行重构橡胶混凝土的应力一应变曲线。文章主要有以下几项内容:
　　(1)进行了橡胶混凝土SHPB试验模型的简化，确定SHPB装置的合适尺寸，以及确定了橡胶颗粒在混凝土中的分布方案。
　　(2)从单元类型与沙漏控制、接触类型与接触算法的选择等方面讨论橡胶改性混凝土SHPB试验有限元模拟的可靠性。
　　(3)研究脉冲形状（三角波、梯形波和矩形波）、压杆直径(Φ37mm、Φ74mm和Φ100mm)和应力脉冲的幅值对在压杆中波传播过程的几何弥散现象的影响。通过模拟结果可以发现，杆径越大，弥散效应越明显;应力脉冲的幅值越大，矩形波的弥散效应越明显，而幅值对三角波和梯形波的弥散效应影响不大;三角波能够较完美的解决波在压杆中传播时产生的弥散效应，其效果最好，梯形波次之，矩形波弥散效应最为严重。
　　(4)通过应力平衡因子的计算，研究了脉冲形状（三角波、梯形波和矩形波）、试件的长径比(0.5、1.0、1.5)对试件早期应力不均性的研究。模拟结果表明，随着长径比的增大，试件达到应力均匀所需要的时间越长;采用三角波和有一定升时的梯形波加载能基本上满足了SHPB试验的应力均匀假定。
　　(5)通过加载速度峰值分别为（4m/s、6m/s、8m/s）的三角波速度脉冲，进行了橡胶改性混凝土SHPB试验数值模拟，获得了不同试件的应力一应变曲线，分析了橡胶粉（粒径1mm、2mm、3mm;掺量10％、20％、30％、40％）对橡胶改性混凝土（RC）动态抗压强度的影响和应变率增强效应。同时，通过计算韧性指标，分析了橡胶粉对RC变形性能的影响。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 概述

1．2 国内外橡胶改性混凝土的研究现状

1．3 混凝土类材料SHPB实验若干问题的数值模拟现状

1．3．1 动力增长因子与应变率关系的数值模拟

1．3．2 试件形状、尺寸效应的数值模拟

1．3．3 端面摩擦效应的模拟

1．3．4 其他方面的数值模拟

1．4 本文的研究目的和研究内容

第二章 SHPB实验技术

2．1 概述

2．2 SHPB试验装置

2．3 一维弹性波理论和SHPB实验原理

2．3．1 杆运动的控制方程

2．3．2 应力波在试件—压杆分界面上的反射—透射过程

2．3．3 SHPB试验基本原理

2．4 本章小结

第三章 材料模型的选择

3．1 橡胶材料模型的选择

3．2 混凝土材料模型的选择

3．3 橡胶混凝土SHPB模型的简化

3．3．1 模型尺寸与加载荷载的确定

3．3．2 SHPB试验模型的简化

3．3．3 橡胶颗粒的分布计算

3．4 本章小结

第四章 数值模拟类型设置

4．1．2 HyperMesh软件简介

4．2 橡胶混凝土3D网格生成过程

4．3 单元类型与沙漏控制、接触算法和接触类型的选取

4．3．1 单元类型与沙漏控制的选取

4．3．2 接触类型的选取

4．3．3 接触算法及罚因子K的选取

4．4 本章小结

第五章 数值模拟结果分析

5．1 计算数据的采集方法

5．2 应力波的弥散效应分析

5．3 试件早期应力不均匀性的分析

5．4 橡胶改性混凝土SHPB试验数值模拟结果

5．5 橡胶颗粒对RC动态抗压强度的影响

5．5．1 橡胶掺量对RC动态抗压强度的影响

5．5．2 橡胶粒径对RC动态抗压强度的影响

5．5．3 应变率对RC动态抗压强度的影响

5．6 橡胶颗粒对RC变形性能的影响

5．6．1 动力抗压韧性评价指标

5．6．2 橡胶粒径对RC韧性的影响

5．6．3 橡胶掺量对RC韧性的影响

5．7 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的相关学术论文

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致谢