钢纤维混凝土的动态本构模型及其有限元方法

摘要

钢纤维混凝土(steel fiber reinforced concrete，SFRC)是一种现代的新型混凝土，它是在普通混凝土中掺入乱向分布的钢纤维后所形成的一种多相复合材料。由于钢纤维的存在能够有效阻碍混凝土内部微裂纹的扩展，显著提高了混凝土基体的韧性、延性和抗冲击等性能。由于SFRC中乱向分布的钢纤维增加了此类混凝土成分的复杂性，因此它是一种性能极为复杂的材料，对它的力学性能的研究至今尚未完善。钢纤维的几何尺寸和掺量大小等因素对SFRC的物理、力学性能有着重要影响，因此对SFRC特别是其在动态载荷作用下的基本力学性能和本构理论的研究仍显得亟为迫切。本文主要在对SFRC进行准静态试验和SHPB冲击压缩试验研究的基础上，建立了SFRC的两个动态本构模型，并将其嵌入有限元计算中，以进行SFRC结构动态响应的数值分析，具体包括以下工作：
　　 ⑴对钢纤维混凝土试件进行了冲击压缩试验和准静态试验研究。通过对试验数据的分析，得到了钢纤维混凝土在不同基体强度、钢纤维含量及应变率下的应力-应变关系曲线。
　　 ⑵基于试验结果，以混凝土HJC动态本构模型为基础，通过对钢纤维混凝土的应变率效应以及钢纤维的增强、增韧效应进行分析，提出了一个适用于钢纤维混凝土的改进的HJC动态本构模型。此模型改进了HJC本构模型的屈服面方程和损伤演化方程，以使其能反映钢纤维的增强、增韧作用。算例显示，本文建立的钢纤维混凝土在冲击荷载作用下的改进HJC动态本构模型是合理有效的。
　　 ⑶利用与遗传算法结合的改进BP神经网络，以钢纤维混凝土试验数据作为训练样本，当前应变增量、应变率、以及上一时间步的应变、应力和应变率作为输入量，当前应力增量为输出量，对神经网络进行训练，建立了钢纤维混凝土的神经网络动态本构模型。算例显示，此动态本构模型是合理的。
　　 ⑷在有限元计算过程中利用神经网络本构模型代替传统的材料本构模型，提出了钢纤维混凝土结构动力分析基于神经网络的有限元方法
　　 ⑸对大型有限元软件ABAQUS/Explicit进行二次开发，利用材料用户子程序接口VUMAT编写代码，采用显式积分算法对本文建立的钢纤维混凝土动态本构模型进行动态有限元实现，并通过算例验证了有限元实现过程的正确性和有效性。
　　 ⑹利用本文建立的两个钢纤维混凝土动态本构模型，对钢纤维混凝土靶在高速和低速冲击下破坏进行了数值模拟，给出了靶板的破坏形态，并对计算结果做了比较分析，讨论了本文所建立的本构模型各自的特点和适用范围。