混凝土等效材料特性的数值研究

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发布时间：2021-09-17

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混凝土等效材料特性的数值研究
陈翔
(娄底职业技术学院建筑与艺术设计系，湖南娄底417000)
摘要：根据概率分布函数随机生成5个元胞作为特征胞，利用细观统计力学方法对5个元胞进行模拟，分别得到5个元胞
的材料等效特性，并根据这5个元胞的等效材料特性生成新的混凝土结构模型。为了验证新的混凝土模型的有效性，模拟
了弹丸侵彻混凝土靶板的动力学响应与损伤，从而验证了等效材料特性研究在混凝土数值模型中使用的效率和准确性。
关键词：数值模拟；均匀技术；混凝土；侵彻
中图分类号：0385 文献标志码：A 文章编号：1672—7029(2010)03—0095—05
Numerical derivation of equivalent material properties of concrete
CHEN Xiang
(Department of Architecture＆Art Design，Loudi Vocational＆Technical College，Loudi 417000，China)
Abstract：Five basic cells were generated according to the probability distribution function as feature cells，nu—
merical simulation of laboratory tests were conducted to derive the equivalent material properties of the five basic
cells of concrete by use of meso—statistical mechanics，and a new concrete model was generated according to the
equivalent material properties of the five basic cells．To check the validity of the new model of derived equivalent
material properties，the dynamic response and damage of the projectile penetration concrete was modeled．The
efficiency and accuracy of using the derived equivalent material properties in numerical modeling of concrete were
demonstrated．
Key words：numerical simulation；homogenization technique；eonerete；penetration
混凝土主要由砂浆和骨料组成，其骨料随机分
布，且混凝土中存在大量的孑L隙和微裂纹。这些孔
隙和微裂纹的存在，对}昆凝土的力学特性有直接的
影响，也大大增加了混凝土在数值模拟方面的难度。
现今，对于混凝土的研究主要从两个方面人手：
(1)材料本构关系方面。根据实验、理论提出
各种本构关系模型，这些混凝土本构模型大部分都
能够满足工程上的需要，但随着研究的进一步深
入，许多研究者都感到其与现有的结构动力学在理
论和计算方法上不相适应，某种程度上已经影响了
对结构动力学的进一步研究。事实上，也很难
提出一种能适用于各种混凝土的本构模型。
(2)模型结构方面。研究中充分考虑实际模型
的构造，建立更为接近实际的结构模型，其中含有详
细的模型结构参数。但这种模型一般都非常庞大，
因此，通常只能计算较小尺寸的特征模型，对于大尺
寸的模型，现有的普通计算机是很难进行求解的。
在过去的几十年里，利用均匀技术对}昆凝土结
构大量的复杂机理开展了研究。最早的均匀技术
出现在砖混材料在面内的线弹性等效特性研究
中。之后，利用均匀技术，对砖混不论是线性还
是非线性、实心还是空心都进行了理论分析和
数值模拟¨ ” 。大量研究表明，不论在静态还是
动态下，都能够用均匀技术对混凝土结构性能进行
可靠预测，并且可以大大提高计算速度，节约计算
时间，同时也为进一步对超大规模混凝土结构的数
值模拟打下基础。
综上所述，本文根据均匀技术，对混凝土材料
模型进行等效，利用数值方法模拟未均匀化的混凝
土模型与均匀化后的混凝土模型在弹丸侵彻作用
下的动力学响应与损伤，并对模型计算结果进行对
比分析。
1 元胞模型
根据随机分布函数生成混凝土模型，如图1所