理论教育 率相关理论简介与应用

率相关理论简介与应用

时间:2023-06-19 理论教育 版权反馈
【摘要】:在初值问题的研究中,Sluys提出一种适用于混凝土材料的弥散裂缝模型,他把断裂应变率直接引入到裂纹产生后的本构关系中。国内陈江瑛和王礼立给出了水泥砂浆损伤演化的率型本构方程,与实验结果吻合良好。由此可见,应变率相关模型并不能无条件地保证模型的单元网格独立性。此外,率相关模型不适宜于模拟典型的脆性材料应变软化行为。

率相关理论简介与应用

Sandler(1984)和Needleman(1988)认为,无论是自然地或是强制地把应变率引入到经典连续介质力学本构模型中,都相当于是引入一个内长度尺度参数(又称特征长度),由此足以消除有限元方法求解所造成的网格依赖性问题。在初值问题的研究中,Sluys(1992)提出一种适用于混凝土材料的弥散裂缝模型,他把断裂应变率(非总应变率)直接引入到裂纹产生后的本构关系中。结果表明,这种模型不仅能使初值保持良好的适定性,而且在高阶应变率存在的应变局部化区域,局部化的宽度不再依赖于有限元的离散方案,实现了网格离散化的独立性。为进一步验证提出的模型的性能,Sluys计算模拟了一维空间单轴拉伸杆件的应变软化过程,将其与Needlman提出的模型计算结果进行对比。结果表明,尽管他所建立的模型和Needlman的模型都能避免网格依赖性问题,但是后者却不是无条件地具备这种特性的。Needlman的模型只有在应变局部化区域的带宽为已知条件时才能获得不依赖于离散网格的计算结果。Sluys提出的针对混凝土材料的模型尽管具有一定的优势,但是它能否适用于其他材料,比如聚合物型复合材料,还是一个未知数。Nemes & Spéciel(1996)用连续损伤模型模拟了层状聚合物复合材料动态应变软化行为,并对横向各向同性层压板的垂直板面方向的一维波传播进行了数值模拟。在合理的波传播时间范围内,模型显示了网格独立性、求解收敛性以及能量耗散非零性。

国内陈江瑛和王礼立(2000)给出了水泥砂浆损伤演化的率型本构方程,与实验结果吻合良好。李静等(2005)采用应变率相关的混凝土非线性损伤模型以及基于拉格朗日乘子的点点接触直接刚度法,同时进行了混凝土材料非线性以及拱坝横缝接触非线性的高拱地震响应分析。研究表明,由于在地震过程中的混凝土非线性软化以及局部损伤开裂的影响,非线性拱坝横缝的开度及分布与采用线弹性混凝土本构关系计算结果有明显的不同,这对于横缝止水的设置具有重要影响。白卫峰等(2006)通过在损伤张量中考虑应变率的影响,提出了应变率相关的混凝土弹塑性损伤模型,用来模拟混凝土材料在动力工况下的力学行为。利用此模型对重力坝进行了地震动超载响应分析,分别从损伤断裂程度和层面抗滑稳定两个方面对坝体进行了安全评价。结果表明,由于地震荷载引起的应变率在坝面的分布不同,坝面各处的动态性能变化不一致,由此引起的混凝土强度和刚度的变化对坝体的动力响应和安全评价有重要影响。(www.daowen.com)

尽管还有不少学者提出了不同的应变率相关模型,在求解各种具体问题或不同材料模型时得到了较为理想的结果,但是当材料不具备十分显著的率相关性(也即黏性)而勉强可以归类于率相关问题时,这种情况即使采用了应变率相关模型,仍然无法避免网格敏感性问题。由此可见,应变率相关模型并不能无条件地保证模型的单元网格独立性。此外,率相关模型不适宜于模拟典型的脆性材料应变软化行为。从物理学角度分析,改变材料的性能是不切实际的,因为尽管率相关模型能够较合理地预测材料的整体反应,但计算出的局部应变和破坏分布明显不符合实际(de Vree et al,1995)。

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