钢纤维混凝土的含损伤压剪耦合动态本构关系和抗侵彻机理

Steel fibre reinforced concrete (SFRC), an important material in the protective works, has high strength and good anti-penetration performance. Aimed at a kind of thin and short steel fiber reinforced concrete, Based on its static and dynamic mechanical properties experiments and wave mechanics, mesomechanics, damage mechanics and constitutive theories, tensile damage evolution equation and compression/shear coupled damage evolution equation of SFRC will be established, and compression/shear coupled dynamic damage constitutive relation and rigorous constitutive algorithm of SFRC will be developed. Penetration tests will be conducted, and penetration numerical simulations using the hybrid algorithm combined finite element and SPH will be carried out. After comparative analysis and summary on tests results and theoretical results and numerical simulation results are made, rationality and reliability of the constitutive relation will be verified, and anti-penetration law and mechanism of SFRC and influence law of steel fibre content on mechanical properties and anti-penetration performance will be proposed..The study will develop the damage constitutive theory, and the research results can provide a scientific basis to improve the anti-penetration performance of the concrete, which has an important application value in the protective works and can provide a scientific guidance on the improvement of the protective materials.

钢纤维混凝土具备较高的强度和较好的抗侵彻破坏能力，是防护工程中的一种重要材料。本研究针对一种短细钢纤维混凝土材料，以其动静态力学性能实验为基础，以波动力学、细观力学、损伤力学和本构理论为指导，建立钢纤维混凝土材料的拉伸损伤演化方程和压剪耦合损伤演化方程，建立材料的含损伤压剪耦合动态本构关系和科学严谨的本构算法；开展材料的抗侵彻模拟实验，利用课题组发展改进的有限元与无网格法相结合的混合算法和工程分析方法，对材料的抗侵彻能力进行系列仿真和工程分析计算，通过与实验结果的对比和分析，验证所建立的本构关系和算法的合理性与可靠性，揭示钢纤维混凝土材料的抗侵彻规律和机理，研究钢纤维含量对混凝土材料力学性能和抗侵彻能力的影响规律。.该研究将深化并发展含损伤的材料本构关系理论，其有关研究成果将为提高材料抗侵彻能力提供科学依据，在防护工程中具有直接和重要的应用价值，对防护材料的改进有科学指导意义。

钢纤维混凝土具备较高的强度和较好的抗侵彻破坏能力，是防护工程中的一种重要材料。此类材料具有压力相关屈服准则，不具备单一可逆的状态方程而必须分别考虑塑性加载和弹性卸载的状态方程，而且，其体变和畸变总是紧密地耦合在一起的，压力和偏应力的改变也是紧密地耦合在一起的，这就是“压剪耦合效应”，此时材料将表现出压剪解耦的“流体弹塑性模型”所不能反映的某些新特性。本研究开展了不同纤维含量钢纤维混凝土的准静态单轴压缩、单轴拉伸、劈裂、抗剪、抗弯、三轴压缩和动态单轴压缩、劈裂、层裂等力学性能试验，得到了钢纤维混凝土相关力学参数。收集国内外三十余年来大量的混凝土动态压缩和拉伸试验数据，分析总结了混凝土材料的压缩和拉伸力学性能的应变率效应，给出了简单的函数形式，并针对应变率效应对混凝土抗侵彻行为的影响进行了理论研究。给出了混凝土材料DP屈服准则、幂函数型屈服准则和指数函数型屈服准则等三类屈服准则，并对其进行对比研究；给出材料适合理论分析的分段折线型状态方程和适合数值计算的多项式型状态方程。以所建立的混凝土材料含损伤压力相关动态屈服准则为基础，提出了适用于DP屈服准则粘塑性材料的“广义半径回归法”的本构算法和严格增量本构算法，并给出了具体的计算流程，在此基础上，利用本课题组研制的有限元/光滑粒子耦合算法大型计算程序针对杆弹侵彻混凝土靶板进行对比研究，研究表明两种算法计算结果具有少许差别。通过理论研究，分别给出了混凝土材料压剪耦合损伤和拉伸损伤演化模型，参考试验结果，给出混凝土材料的两类损伤演化方程，结合以上屈服准则和应变率效应，发展出一种混凝土材料的含压剪耦合与拉伸损伤动态本构关系，在此基础上针对混凝土材料中爆炸载荷引起层裂问题和杆弹侵彻混凝土靶板问题进行数值计算，结果表明，该本构模型和算法能够很好地再现爆炸和冲击作用下混凝土材料中的损伤演化过程。开展了杆弹对钢纤维混凝土靶板的侵彻试验、钢纤维混凝土靶板接触爆炸层裂试验等，研究表明，钢纤维混凝土具有较强的抗侵彻爆炸能力，随着纤维含量的增加，该能力有所提升，但当含量大于3%后，效果并不明显。经过验证表明，本研究所提出的混凝土材料的压剪耦合损伤与拉伸损伤演化方程以及本构模型和本构算法是科学准确的。本研究发展了含损伤材料本构关系理论，研究成果将为提高材料抗侵彻能力提供科学依据，在防护工程中具有直接和重要的应用价值，对防护材料的改进有科学指导意义。