有限元數(shù)值計(jì)算中常采用界面單元模擬材料交互界面,只有準(zhǔn)確定義界面單元的本構(gòu)關(guān)系才能反映材料交互界面的實(shí)際粘結(jié)性能,才能進(jìn)一步確保結(jié)構(gòu)整體力學(xué)行為模擬結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。材料交互界面的實(shí)際粘結(jié)性能一般具有非線性特征。且由于應(yīng)變率效應(yīng)的影響,在動態(tài)荷載作用下材料交互界面的粘結(jié)性能與準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下的性能不同,粘結(jié)強(qiáng)度呈現(xiàn)出隨應(yīng)變率提高而增加的趨勢。然而,目前考慮應(yīng)變率效應(yīng)的材料交互界面數(shù)值模擬研究較少�？紤]了應(yīng)變率效應(yīng)的數(shù)值模擬在定義界面單元本構(gòu)關(guān)系時幾乎都沒能同時考慮材料交互界面粘結(jié)性能的非線性和應(yīng)變率效應(yīng)。同時,在現(xiàn)有界面單元支持的有限元材料模型中也沒有任一本構(gòu)模型同時考慮了材料非線性和應(yīng)變率效應(yīng)。本研究針對上述有限元應(yīng)用領(lǐng)域材料交互界面動態(tài)粘結(jié)性能模擬受限的問題,開發(fā)了同時考慮非線性和應(yīng)變率效應(yīng)的界面材料模型子程序。本研究首先對常用的界面單元進(jìn)行比較,確定將采用內(nèi)聚力單元模擬材料交互界面。隨后提出了一種同時考慮非線性和應(yīng)變率效應(yīng)的材料交互界面本構(gòu)關(guān)系。之后基于內(nèi)聚力單元的特點(diǎn)和上述本構(gòu)關(guān)系開發(fā)了界面材料模型子程序。采用單個內(nèi)聚力單元模型驗(yàn)證了所開發(fā)的界面材料模型在切向、法向及混合模態(tài)下的... 

【文章來源】：昆明理工大學(xué)云南省

【文章頁數(shù)】：97 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

彈簧單元示意圖

昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文10中軸向彈簧單元各個節(jié)點(diǎn)分別具備3個自由度，即沿X軸、Y軸和Z軸的平移，可以通過控制節(jié)點(diǎn)的自由度確定軸向彈簧單元的軸向。圖2.1彈簧單元示意圖Fig.2.1Schematicrepresentationofthespringelement圖2.2彈簧單元布置示意圖[33]Fig.2.2Schematicrepresentationofthespringelementlayout[33]當(dāng)彈簧單元用于模擬材料交互界面時，如圖2.1所示，其中節(jié)點(diǎn)1與材料交互界面處其中一種材料連接，節(jié)點(diǎn)2與另一種材料連接，可以通過節(jié)點(diǎn)之間的相對位移反映材料交互界面的兩種材料之間的相對位移。Godat等[33]采用軸向彈簧單元作為界面單元對FRP-混凝土界面進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，其彈簧單元的布置示意圖如圖2.2所示。圖中混凝土節(jié)點(diǎn)應(yīng)和對應(yīng)的FRP節(jié)點(diǎn)在有限元模型中位置重合，為了表明彈簧單元的布置，圖2.2中將兩者拆開表示。圖2.2中，彈簧單元的一個節(jié)點(diǎn)和混凝土節(jié)點(diǎn)連接，另一個節(jié)點(diǎn)和對應(yīng)的FRP節(jié)點(diǎn)連接。由于混凝土節(jié)點(diǎn)和對應(yīng)的FRP節(jié)點(diǎn)位置重合，彈簧單元的長度被定義為零。在有限元模型建立時，需要格外注意彈簧單元的布置方式，通常彈簧單元的軸向需要和作用力的方向保持一致。例如，彈簧單元在模擬材料交互界面切向的粘結(jié)滑移性能時，彈簧單元的布置必須保證其軸向與材料交互界面的剪切方向平行。這樣彈簧單元的變形才能代表材料交互界面的滑移，彈簧單元的軸力才能反映材料交互界面的粘結(jié)應(yīng)力。在確定彈簧單元的布置方式后，彈簧單元的本構(gòu)關(guān)系反映了材料交互界面的粘結(jié)性能。彈簧單元的本構(gòu)關(guān)系建立的是力與位移之間的關(guān)系，而一般材料交互界面的粘結(jié)性能通過應(yīng)力與位移之間的關(guān)系反映。如FRP-混凝土界面的粘結(jié)滑移關(guān)系[10]，F(xiàn)RP-鋼界面的粘結(jié)滑移關(guān)系[12]和鋼筋混凝土界面的粘結(jié)滑移關(guān)系[41]，都

昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文12互界面性能。雖然可以通過組合彈簧單元同時考慮界面法向及切向的粘結(jié)性能，但由于兩個方向彈簧單元相互獨(dú)立，這種方式缺乏混合模態(tài)下的破壞準(zhǔn)則。因此采用彈簧單元不能準(zhǔn)確模擬材料交互界面混合模態(tài)下的性能。2.1.2桁架單元桁架單元可以用作材料交互界面數(shù)值模擬時的界面單元。桁架單元類似于一根細(xì)長桿，一般由兩個節(jié)點(diǎn)組成。各個節(jié)點(diǎn)分別具備三個自由度，即沿X軸、Y軸和Z軸三個方向的平移。該單元只能傳遞軸力不能傳遞彎矩，典型的桁架單元如圖2.3所示。其中節(jié)點(diǎn)K僅用于確定橫截面的初始朝向，不能與1節(jié)點(diǎn)和2節(jié)點(diǎn)共線。使用桁架單元需要定義單元的實(shí)常數(shù)，即橫界面尺寸，該橫截面尺寸必須大于零。除此以外，兩節(jié)點(diǎn)線性桁架單元的本構(gòu)關(guān)系通過應(yīng)力和相對位移之間的關(guān)系定義。圖2.3桁架單元示意圖Fig.2.3Schematicrepresentationofthetrusselement部分研究采用桁架單元作為界面單元對材料交互界面進(jìn)行數(shù)值模擬研究，例如Ebead和Neale[35]對FRP-混凝土界面采用桁架單元進(jìn)行了數(shù)值模擬。文獻(xiàn)[35]中主要模擬了FRP-混凝土界面受剪發(fā)生破壞，模型中桁架單元連接了FRP片材和混凝土試塊。和彈簧單元類似，桁架單元不僅代表著膠層的性能，而是代表著FRP和混凝土粘結(jié)處的整體界面行為。Ebead和Neale[35]在建模時桁架單元的布置和彈簧單元的布置相同，依舊保證桁架單元的軸向和作用力的方向一致。這種情況下，桁架單元的軸向和FRP-混凝土界面的剪切方向平行，桁架單元的變形代表了界面的滑移，桁架單元的應(yīng)力代表了界面的切應(yīng)力。和彈簧單元相比，桁架單元是有長度的，在Ebead和Neale[35]建立的平面應(yīng)力模型中，桁架單元的橫截面代表了FRP-混凝土界面的剪切面，因此桁架單元的橫截面面積是單元的長度和FRP片材寬?

【參考文獻(xiàn)】：
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碩士論文
[1]沖擊荷載下CFRP與混凝土界面粘結(jié)力學(xué)性能試驗(yàn)研究[D]. 代小青.湖南大學(xué) 2014



本文編號：3491865