混凝土材料损伤演化方程、含损伤动态本构关系及其抗侵彻破坏机理的多尺度研究

By combining static/dynamic mechanical tests, penetration experiments, detection on meso-scale, theoretical analyses and multi-scale numerical simulations, research on the damage evolution mechanism and anti-penetration rules and its mechanism for concrete will be conducted on multiple scales. The randomized three-dimensional numerical models of aggregate-cement mortar-microvoid for concrete will be built, and the numerical simulations on meso-scale for the process of the damage evolving in concrete under the impact loadings will be conducted. Based on the simulation results and the experimental observation on the failure sections, the compression/ shear coupled damage evolution equation and tensile damage evolution equation for concrete will be established, and the influence rules of the mechanical property and sizes of the aggregate on the process of damage evolving will be revealed. Based on the tests for the static/dynamic mechanical properties and corresponding numerical simulations on meso-scale, the influence rules of the mechanical property of aggregate and cement mortar on that of concrete and the intrinsic correlation between them will be revealed, and the dynamic damage constitutive model for concrete applied to high velocity penetration will be developed. Based on the penetration experiments and the corresponding numerical simulations on macro-scale, the anti-penetration rules of concrete will be discussed. Based on the corresponding numerical simulations on meso-scale, the influence rules of the mechanical property and sizes of the aggregate on the process of penetrating will be revealed, and the anti-penetration rules and its mechanism for concrete will be revealed further. A new engineering model for the anti-penetration of concrete will be developed. The study will develop the damage constitutive theory. Research results can provide a scientific basis to improve the anti-penetration performance of the concrete which has an important application value in the protection works and can provide a scientific guidance on the optimized design of earth-penetrating weapons.

以混凝土材料为研究对象，通过静动态实验、侵彻实验、宏细观数值仿真、细观尺度检测和理论分析相结合，多尺度系统地研究混凝土材料的损伤演化机制及其抗侵彻规律与机理。建立骨料-水泥砂浆-微孔洞三维随机化数值模型，对冲击作用下材料中损伤演化过程进行细观尺度数值仿真，结合对破坏断面的实验观察，建立其压剪耦合型、拉伸型损伤演化方程与破坏准则，揭示骨料对损伤演化过程的影响规律。开展材料静动态力学性能实验及其对应的细观尺度数值仿真，揭示骨料、水泥砂浆与混凝土材料动态力学性能之间的内在关联，建立适用于高速侵彻分析的含损伤动态本构模型。开展侵彻实验，结合宏观尺度数值仿真，探讨混凝土材料的抗侵彻规律；开展细观尺度数值仿真，分析骨料对侵彻破坏过程的影响规律与机制，进一步揭示混凝土材料抗侵彻规律与机理，发展新型侵彻模型。该研究将发展材料含损伤本构关系理论，并为国防工程中混凝土工事和钻地武器的设计提供有价值的科学依据。

以混凝土材料为研究对象，通过静动态实验、侵彻实验、宏细观数值仿真、细观尺度检测和理论分析相结合，多尺度系统地研究混凝土材料的损伤演化机制及其抗侵彻规律与机理。开展了六个方面的研究：首先，对混凝土类材料动态力学性能试验用大口径SHPB试验技术进行了系统的研究，建立了精细化测试的技术手段、装置改造方法与数据处理方法，给出了科学准确的验证数据；该研究成果为准确测量混凝土类材料的动态压缩和劈裂试验提供科学参考，为当前我国国防行业中建立地质类混凝土材料的动态力学性能数据库提供了重要的参考价值。其次，开展了四种混凝土、砂浆和粗骨料用花岗岩动静态力学性能研究，给出了其在不同应变率条件下的压缩和拉伸强度、应力应变关系和强度的应变率效应，为项目中后期研究奠定基础；第三，开展了混凝土类材料强度率效应的机理性研究，并利用波动力学对动态压缩过程中横向惯性效应进行分析和校正，在此基础上对其进行静水压校正，给出了混凝土材料的真实应变率效应，研究表明，混凝土类材料的应变率效应并不是想维像显示的那么明显，甚至与金属类似并不明显，当前国内外大部分率强化材料使得计算过程中对其重复计算，使得对混凝土强度计算值明显高于实际值；这对于混凝土类材料动态力学性能研究和相关的抗侵彻爆炸研究具有重要的参考价值。第四，基于“有核长大”思想，发展了混凝土类材料的拉伸型和压剪耦合型损伤演化模型，并结合Bodener本构和该损伤演化模型，建立了一种新型粘塑性损伤软化本构模型，并给出了其增量算法；与试验结果对比分析显示，该模型能够很好的对混凝土在动态力学条件下的损伤演化、软化、率效应等方面进行表征。第五，建立骨料-水泥砂浆三维随机化准细观数值模型，并结合试验研究分析粗骨料对混凝土类材料动态力学行为的影响，研究表明，在本项目的应变率范围内，粗骨料对混凝土动态强度并没有强化作用，而且由于粗骨料与砂浆之间的界面效应，使得其使得混凝土动态强度小于对应的砂浆强度；这对于混凝土材料的加工和特种混凝土的设计优化提供科学依据；第六，开展了不同混凝土抗侵彻试验和数值仿真研究，给出了其中的一些规律性结论；研究对于防护工程的设计和钻地武器的设计提供有价值的科学依据。