混凝土類材料的含損傷動靜態(tài)力學(xué)行為和抗侵徹性能研究

楊靜

摘 要：作為一種典型脆性材料，混凝土材料在工程建設(shè)領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。其作為常用的施工材料，主要是按照一定配合比將水泥、水、粗骨料等材料混合制成，其內(nèi)部所有成分的物理、力學(xué)性能存有極大不同，與金屬類材料相比，混凝土材料力學(xué)特性更為復(fù)雜，尤其是動靜態(tài)力學(xué)性能，這也是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點。本文主要對混凝土類材料的含損傷動靜態(tài)力學(xué)行為和抗侵徹性能進行了分析與探討。

關(guān)鍵詞：混凝土類材料；抗侵徹性能；動靜力學(xué)性能

中圖分類號：TU528 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）06-0112-02

混凝土準(zhǔn)靜態(tài)下力學(xué)性能為混凝土材料研究的重點，伴隨實驗技術(shù)的不斷提升及設(shè)備的更新?lián)Q代，可完成單軸壓縮、拉伸等準(zhǔn)靜態(tài)低壓下的力學(xué)性能實驗。但在大量動態(tài)實驗數(shù)據(jù)面前，大量研究證明混凝土材料屬于應(yīng)變率敏感材料，因此在具體受力破壞下混凝土材料不再屬于常規(guī)性的準(zhǔn)靜態(tài)，如高速撞擊、抗侵徹等情況下，混凝土破壞不再屬于準(zhǔn)靜態(tài)破壞，而需歸入到動態(tài)破壞行列，如依舊選用準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能研究標(biāo)準(zhǔn)，則存有的偏差較大，這種情況下，必須對混凝土類材料的含損傷動靜態(tài)力學(xué)行為及抗侵徹性能進行探討。

1 混凝土類材料的含損傷動靜態(tài)力學(xué)行為分析

在社會發(fā)展中，并不存在完全沒有缺陷的材料，材料的內(nèi)部都會存有一定缺陷，在外部因素影響下，此類缺陷將逐步擴展，并最終損害材料。為此，本文通過含損傷本構(gòu)模型的建立進行材料力學(xué)性能地研究。本文在將“等效微孔洞體系”合理引入后，并在損傷演化中引入了孔洞體積，其有機結(jié)合“有核長大模型”，可進行拉伸性損傷演化方程、壓剪耦合損傷演化方程的建立。這樣不僅能夠由細觀方面定義損傷的獨立物理量，還能通過細觀統(tǒng)計方面對損傷演化動機進行詳細分析。由顯微結(jié)構(gòu)分析，混凝土內(nèi)的微觀裂紋、孔洞尺寸及形狀各不相同，也可叫做損傷核。其通過外部環(huán)境作用而逐步擴大，這符合晶體理論。

1.1 拉伸損傷演化方程

總體積為V的介質(zhì)所有等效微孔洞總體積可由Vd表示，則其實體部分總體積可由Vs表示，其公式為：Vs+Vd=V。根據(jù)損傷統(tǒng)一描述模型，在拉伸型或壓剪耦合損傷下，都可選用D表示其等效微孔洞體系損傷，公式如下：

進而產(chǎn)生公式：

當(dāng)孔洞不斷擴大后，其具有不同的絕對長大率，但于拉伸型損傷而言，可假設(shè)其具有相同的孔洞長大起始拉伸闕值應(yīng)力σ0，同時所有等效孔洞的相對長大率可和相對超闕值應(yīng)力函數(shù)成比例，由此可見整個介質(zhì)總孔洞體積相對長大率和相對超闕值應(yīng)力函數(shù)同樣存有比例關(guān)系，如下：

其中材料常數(shù)可有a表示，通過以上公式可得出，一般情況，拉伸型損傷演化方程為下式：

假設(shè)實體材料不可壓，其演化方程可由下式表示：

1.2 混凝土本構(gòu)模型中壓剪耦合損傷演化方程的應(yīng)用

假設(shè)材料為標(biāo)準(zhǔn)線彈性材料（無損傷），則σ=Eε為其應(yīng)力應(yīng)變曲線。因材料具有非線性效應(yīng)、損傷軟化效應(yīng)，導(dǎo)致具體材料應(yīng)力應(yīng)變曲線與此關(guān)系不符。同時，因混凝土類材料具有極小非線性效應(yīng)，可看做該偏離、不符現(xiàn)象產(chǎn)生的原因為損傷。按照應(yīng)變等效原理（Lemaitre提出）即“無損材料本構(gòu)方程可進行受損材料本構(gòu)關(guān)系轉(zhuǎn)換”。因此，可將混凝土材料當(dāng)做是沒有受損的材料，此時不改變應(yīng)變ε，可通過損傷材料實體應(yīng)力替代表觀應(yīng)力，則含損傷脆彈性線形損傷軟化本構(gòu)關(guān)系公式如下：

在此基礎(chǔ)上，可選取最小二乘法優(yōu)化擬合此次混凝土MTS實驗的等應(yīng)變率應(yīng)力應(yīng)變曲線，可將損傷演化方程內(nèi)的待定參數(shù)等優(yōu)選出來。通過相關(guān)試驗得出，在沒有達到理想破壞狀態(tài)前材料即以失效。

這種情況下，，以此得出材料真實極限破壞損傷值，即D=Dc=0.382，其為材料失效破壞準(zhǔn)則。

如裂紋出現(xiàn)在混凝土內(nèi)部損傷過程中，往往會選取CT技術(shù)對其產(chǎn)生、發(fā)展?fàn)顩r進行觀測，通過圖1可清楚了解混凝土試件一個位置軸向不同時的應(yīng)力情況，由此得出，抗壓強度與峰值不符前，裂紋裂開現(xiàn)象并不顯著，且數(shù)量變化較小，當(dāng)其滿足峰值時，則在不斷加載狀態(tài)下裂紋在較短時間內(nèi)將快速增大且數(shù)量增多。也就是說彈性階段損傷速度較慢，當(dāng)與應(yīng)力峰值相近后，損傷速度才進一步加快，當(dāng)滿足峰值后，損傷發(fā)展速度更為迅速。

2 混凝土靶板抗侵徹性能分析

為更好地分析混凝土類材料抗侵徹性能，可進行混凝土靶抗侵徹試驗，選取500mm直徑、250mm高的圓柱體作為靶板，通過鋼板（1.4mm后）在靶板附近圍結(jié)加固，選取半球頭脫殼尾翼鉆地彈作為彈體，290g為彈體質(zhì)量，其中152g為彈芯重量，113mm長，14.5mm為其直徑。通過實驗得出結(jié)果如表1。

實驗中，可進行部分侵徹彈回收，侵徹混凝土靶板后的回收彈體刮痕較為顯著，彈頭存有消蝕現(xiàn)象，但彈丸幾乎沒有改變，表明速度較低狀態(tài)下，變形問題基本不會出現(xiàn)在侵徹混凝土靶板后的彈體，因此這種情況下，可不考慮彈體侵徹環(huán)節(jié)的變形、質(zhì)量損耗等問題，也可把其看做是剛體，遵循能量守恒定律，可獲取侵徹彈靶板貫穿環(huán)節(jié)的能量損失情況。同時，當(dāng)不斷提升入射速度時，侵徹單位厚度靶板具有顯著能耗現(xiàn)象，其主要原因在于提升入射速度后，將進一步擴大靶板破壞范圍，并提升碎片擴散速度，進而增加能耗。

在混凝土沖擊性能研究方面，本構(gòu)模型較多，如RHT模型、偽張量模型、HJC模型等。本文選取HJC模型進行分析，因該模型不涵蓋失效準(zhǔn)則，因此選取該模型進行彈丸侵徹混凝土模擬時，因彈體可穿透靶板，應(yīng)對單元進行失效指標(biāo)設(shè)定，當(dāng)滿足設(shè)定的失效指標(biāo)時，可認(rèn)為此單元已失效，并將此網(wǎng)格單元刪除。通常需進行最大主應(yīng)變失效準(zhǔn)則地確定，0.5為最大主應(yīng)變，也就是說0.5為單元最大應(yīng)變時，此單元失效，需將其網(wǎng)格單元刪除。通過以上敘述，可模擬混凝土靶板抗侵徹環(huán)節(jié)的數(shù)值，并獲取初始速度與剩余速度之間的關(guān)聯(lián)性，如表2所示。

通過表2得出，5%以下模擬結(jié)果和實驗結(jié)果之間的偏差值。通過增加入射速度，可加強單位厚度靶板的吸能力量，其原因在于速度加快將損耗開坑能量，加大靶板破壞面積。除此之外，在速度較低情況下，不斷提升侵徹速度，將增大彈丸剩余速度。同時，不斷增加入射速度，其侵徹速度降低速度也會隨之加快，這就說明增加彈丸入射速度，也將增加混凝土靶的抗侵徹能力。且在侵徹環(huán)節(jié)，侵徹速度可呈現(xiàn)線性下降狀態(tài)，這就表明在入射速度相同的情況下，在靶板貫穿環(huán)節(jié)，混凝土靶的抗侵徹性能不會發(fā)生改變，則彈丸侵徹阻力變化較低。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著社會經(jīng)濟發(fā)展速度的不斷提升，混凝土類材料在建筑、工業(yè)等行業(yè)應(yīng)用愈加廣泛。為更好地提升混凝土類材料質(zhì)量，必須充分了解其性能，本文通過對混凝土類材料含損傷動靜態(tài)力學(xué)行為及抗侵徹性能的分析，更為深入地掌握了混凝土類材料的性能，為提高工程建設(shè)質(zhì)量提供了可靠的保障。

參考文獻

[1]李煦陽.孔隙類工程材料的靜動態(tài)力學(xué)性能研究和在防護工程中的應(yīng)用[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2014.