水泥砂浆一维应力SHPB冲击数值模拟.pdfVIP

水泥砂浆一维应力SHPB 冲击数值模拟 李英华，廖绍凯，蒲兴富 宁波大学力学与材料科学研究中心，浙江宁波 (315211) E-mail：yh304236@163.com 摘 要：采用SHPB 压杆实验装置研究水泥砂浆一维动态力学行为。 应用工程上使用方便 的计及率型损伤演化的ZWT 本构方程描述水泥砂浆动态力学行为，即其非线性粘弹性响应 特性。并应用ANSYS 有限元分析软件进行了相应的数值模拟，得到数据与实验结果比较吻 合。 关键词：SHPB；水泥砂浆；损伤演化；应变率相关；数值模拟 中图分类号：TQ172.1 O34 1. 引言 混凝土是目前工业与民用建筑中最常用的结构工程材料之一, 已经被广泛地用于高层建 筑、长跨桥、大坝、水电站、隧道、码头等。一些现代混凝土结构愈来愈多地可能承受变化 剧烈的冲击载荷，如防护结构、核反应容器外壳、海洋结构、桥梁、大坝等，在遭受武器攻 击、爆炸、撞击或地震等载荷时，都必须计及波传播和混凝土材料的率相关本构特性。人们 对混凝土的冲击特性进行了大量的研究[1～2] 。 混凝土材料动态本构模型是研究其在冲击载荷作用下损伤破坏机理、应力波传播和衰减规 律、结构破坏效应等的理论基础。而人们对于混凝土材料在较高应变率下的本构特性的了解 还远远不足，少有完善的率型本构关系，且未计及损伤演化的应变率相关性。本文根据混凝 土材料-砂浆在 SHPB 压杆实验装置不同应变率下的实验结果，将计及率型损伤演化的 ZWT 非线性粘弹性关系推广到混凝土材料，应用ANSYS 有限元分析软件进行了相应的数值模拟。 2. SHPB 原理 分离式 Hopkinson 压杆最早是由 Hopkinson[3]设计的，他于 1941 年利用压力脉冲在杆的自 由端反射时变为拉伸脉冲的性质设计了一套设备简单的实验装置，用来测定炸药爆炸或子弹 撞击杆端时的压力-时间的关系，就是人们熟知的 Hopkinson 压杆。后来分离式 Hopkinson 压杆经过了两次改进：一次是 1948 年 Davies[4]改进了 Hopkinson 压杆系统的测时器检测方 法，这就是通常所说的 Hopkinson-Davies 压杆系统；另一次是 Kolsky[5]于 1949 年对上述压 杆装置进行了改进，用于测量端柱形试件的动态应力-应变关系。所使用的装置是由两根杆 及嵌入在两杆之间的试件组成，这就是现在常用的分离式 Hopkinson 压杆，其装置简图如图 1 所示。 -1- 图 1 SHPB 实验装置简图 SHPB 技术建立在两个基本假定基础上，一个是一维假定（又称平面假定），另一个是 试样变形均匀性假定。实验中，子弹以一定速度沿轴向撞击输入杆，在输入杆中产生压缩应 力波。假定输入杆和输出杆只发生弹性变形，杆中应力波做一维传播。当应力波到达试件时， 如果试件的波阻抗小于压杆波阻抗，便会反射波返回到输入杆中，同时产生透射波进入输入 • 杆中。用ε(t) 、ε(t) 和σ(t) 分别表示试件材料的应变率、应变和应力。那么计算材料在受 冲击载荷下的应力应变关系公式可以表示如下： ⎧• ⎪ t C ε( ) (ε ε ε ) =− − i r t ⎪ l0 ⎪ ⎪ C t t dt （1） ε( ) (ε ε ε ) ⎨ =− − l ∫0 i r t ⎪ 0 ⎪ AE