基于非局部理论的混凝土M7微平面本构模型研究及应用

摘要

混凝土作为一种多相复合材料，具有非常复杂的物理力学性质，如不均匀性、非线性、变形局部化和断裂等材料特性，目前采用传统的宏观本构模型对混凝土材料的各种力学行为进行精确的描述仍存在较大的难度;同时，混凝土材料破坏时往往表现为变形集中于相对狭窄的带状区内，是结构非线性响应中典型的应变局部化现象。作为材料破坏失稳时的重要特征，采用数值分析方法对应变局部化进行预测模拟是一项重要课题，而传统的连续介质损伤力学在模拟这一现象时，容易出现伪单元网格敏感性与零能损耗的问题。
　　为了克服上述问题，本文基于具有较强非线性分析能力的通用有限元软件ABAQUS及其二次开发平台，开发了分析混凝土应力场的M7微平面模型，并与非局部理论相结合，以期真实模拟混凝土材料本构的软化阶段及多种应力状态下的非线性力学响应。主要的研究工作及结论如下:
　　(1)基于Ba(z)ant等最新研究的第七代微平面模型，通过ABAQUS提供的用户自定义子程序接口VUMAT，编写了用于模拟混凝土材料复杂力学行为的本构程序，对混凝土单轴压缩及拉伸、三轴压缩进行了模拟分析，并与相关试验结果比较，验证了微平面子程序的合理性。
　　(2)对M7微平面模型的开发和研究表明:M7微平面模型能够较好的模拟混凝土应力应变全曲线过程及多种应力状态下的力学行为，为更加客观的模拟混凝土结构的受力响应奠定了基础。
　　(3)将非局部理论引入微平面模型，研究了混凝土矩形面板与三点弯曲梁的应变软化问题以及应变局部化对网格的敏感性问题，且对比分析了单纯微平面模型与非局部微平面模型对结构非线性分析模拟的客观合理性。
　　(4)基于非局部微平面模型的研究表明:单纯的微平面模型难以实现对混凝土结构应变局部化的准确模拟，数值计算结果出现单元网格敏感性，受网格差异影响较大;将考虑距离之间相互作用的非局部理论加入微平面模型后，能够有效避免应变局部化引起的有限单元网格敏感性问题，可以实现对应变局部化的真实模拟，保证数值模拟结果的合理性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 混凝土的本构关系研究

1．2．2 非局部理论的研究现状

1．3 本文研究内容

第二章 微平面模型的基本理论

2．1 微平面模型简介

2．1．1 微平面模型基本概念

2．1．2 微平面模型的发展

2．2 微平面模型M7的本构关系

2．2．1 M7微平面的基本假设

2．2．2 M7微平面上的应力应变关系

2．2．3 宏观与微观应力应变关系之间的转换

2．3 微平面模型参数及优缺点

2．3．1 微平面模型的参数

2．3．2 微平面模型的优缺点

2．4 本章小结

第三章 M7微平面本构子程序开发及验证

3．1 ABAQUS二次开发及VUMAT子程序

3．1．1 二次开发环境平台

3．1．2 ABAQUS二次开发接口

3．1．3 VUMAT子程序

3．2 M7微平面本构子程序开发

3．3 ABAQUS／Explicit准静态分析

3．3．1 ABAQUS／Explicit求解问题类型

3．3．2 显式分析和隐式分析的对比

3．3．3 准静态分析

3．4 模型验证

3．4．1 单轴压缩模拟

3．4．2 单轴拉伸模拟

3．4．3 三轴压缩模拟

3．5 本章小结

第四章 混凝土结构非线性有限元分析

4．1 非局部理论方法

4．2 非局部理论在VUMAT中的实现方法

4．2．1 非局部理论的数值积分公式

4．2．2 非局部理论的编程方法

4．3 基于非局部理论的M7微平面模型验证

4．3．1 矩形面板拉伸计算

4．3．2 三点弯曲梁加载模拟

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢