混凝土动态压拉损伤耦合演化机理研究

The concrete material may undergo the dynamic compressive loading, the dynamic tensile loading and the alteration of the two loadings, such as penetration, earhtquake, etc. The dynamic response of concrete material include the macro-effects of strain rate effect and pressure effect and the meso-structure damage evolution of the crack nucleaction and growth. The complex microstructure of concrete has traditionally led us to conduct the rearch of the macro-effects and the meso-effcts independently, which has not provide the effective experiment data to support the relationship between the macro-response and the meso-structure. Our reasearch aim the scientific problems in dynamic mechanical response of concrete material and try to get the correlation theory between the macro-response and the meso-structure of concrete under the dynamic compressive and tensile loading and the intetactive effects of the two loadings. A combined work of experimental test, theoretical analysis and numerical simulation will be performed to get the the three dimension space distributions of the cracks,the statistics for different size cracks, the stress, the strain, and the strain rate. The relationship between the macro-response and the meso-structure will be obtained. The damage constitute model based on the compressive damage evolution, the tensile damage evolution and the couple effects of the two kinds of damage will be developed. The developed model will be implemented into finite element program and will be validated by above experiments and penetration experiments from the literatures.

混凝土材料经常处于动态压拉载荷以及二者交互作用的复杂环境中，如动能弹侵彻、地震作用等。 混凝土介质的动态力学响应涉及到应变率效应、围压效应等宏观效应，也涉及到微裂纹微孔洞形核成长等细观结构演化。传统的混凝土动态力学性能研究往往将宏观力学响应和细观结构损伤演化分析分别独立进行研究，未能提供宏观和细观内在关联性的基础实验数据，机理分析也比较缺乏。 本项目针对混凝土动态响应特性中急需解决的关键科学问题，以获取动态压拉载荷作用下混凝土的宏观力学响应和细观损伤演化间的关联机理以及压拉损伤相互影响规律为突破点，采用试验测试、理论分析和数值计算相结合的方法，重点获得不同应变时，不同应变率条件下损伤混凝土的三维细观结构，建立应变、应力、应变率、微裂纹微孔洞统计分布以及损伤度间的相互关系，给出压拉损伤的相互影响规律，建立压拉损伤耦合本构模型并进行数值模拟验证，为预测混凝土复杂载荷下的力学行为提供基础条件。

混凝土是一种在地下深层防护工事、核工业设施等建筑中广泛应用的工程材料。当受到弹药、地震等冲击载荷作用时，会处于复杂的压缩应力和拉伸应力交互作用的环境中。因此研究混凝土材料的拉、压损伤的演化及其相互影响规律，建立拉压损伤耦合本构关系模型有重要意义。. 着重进行了下列研究：混凝土和砂浆的累积冲击压缩损伤演化规律研究、压缩损伤和拉伸损伤相互影响规律、压拉损伤耦合模型建立与仿真验证。. 在被动围压和控制平均应变条件下,对混凝土与砂浆试样进行了不同加载速度的累积冲击试验，分析了不同冲击次数下材料的损伤演化规律。结果表明：多次冲击时，在未达到屈服点时就已经发生损伤，冲击次数越多，累积损伤越大；动态屈服强度可以达到静态压缩强度的2 倍以上；随着子弹发射压强的增大，混凝土试样的应力应变曲线会出现应力二次波峰现象。. 对砂浆和混凝土巴西圆盘试样进行静动态拉伸研究，获得了不同加载速率下两种材料的典型拉伸破坏形态、抗拉强度和断裂韧度。结果表明：随着加载速率的增大，应力时程曲线变得越来越光滑，两种材料的拉伸强度和断裂韧度随之增加，但混凝土材料的上升斜率更陡；低应变率下，混凝土的拉伸破坏主要沿着骨料和砂浆基体的界面进行，当应变率高于某一值，出现了穿过骨料的断裂模式。. 对预加载到不同损伤程度的试样进行动态拉伸试验，获得了预损伤后的材料性能参数。结果表明：预加载到压缩强度50%时，预加载基本不会影响到材料的拉伸断裂特性；此后，随着预加载值的增加，材料的杨氏模量、拉伸强度和断裂韧度随之减少。. 压缩效应损伤本构关系包含了围压效应、损伤的初始应力强度和残余屈服强度，并给出了三种强度、应变率和围压之间的关系。拉伸损伤效应本构关系中裂纹的尺寸以三维尺度替代了TCK模型中的二维尺度，以修正裂纹的尺度和损伤度之间的关系。建立了压缩损伤度和拉伸损伤度间关系表达式。将该本构嵌入到程序中，基于基和础力学试验和侵彻贯穿试验的结果对比，进行了仿真验证。. 给出的理论模型可应用于侵彻爆破战斗部的设计和防护结构设计。