混凝土动力特性的有限元程序设计

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混凝土结构在使用过程中不可避免的受到地震、海啸、冲击甚至爆炸等动荷载的作用,目前通常采用混凝土材料的静态力学性能对结构进行动力分析,然而许多研究表明混凝土材料具有率相关性,混凝土材料的动态性能和静态有明显的差异,在混凝土结构动力分析时,其材料的动态性能对结构动力响应的影响不容忽视。然而,在用通用有限元软件分析时,按照自己提出的混凝土动态本构模型对结构进行动力计算非常困难。因此,本文自行编制了空间应变率相关动力有限元程序RDDP(Rate-dependent Dynamic Program)对之进行实现。 本文作为河海大学院士学科发展基金项目“混凝土动力特性及动态损伤机理研究”(院士基金02-01)的子课题之一,主要进行程序的编制工作,实现能够反映混凝土动态性能的动力有限元计算。同时,作为今后数值仿真的基础工作,程序能够通过数据交换,利用通用有限元软件ANSYS进行前后处理。首先,按照已有的混凝土动态力学性能试验结果,引入应变率因子对混凝土单轴静力应力-应变关系进行修正,构造混凝土等效单轴动态本构模型,利用试验数据进行验证,为了将模型用于数值计算,推导了考虑增量型本构关系的增量型动力方程求解格式。详细介绍了FORTRAN程序设计流程和框图,利用多种材料模型和加载条件对程序的各模块进行验证。最后,利用自编程序对混凝土三弯点梁静、动态加载试验模型进行了数值计算,与试验结果进行了比较分析。 经过多种模型的验证和计算,自编程序具有以下特点和功能,为进一步编程打下良好的基础。1)自编程序能够进行考虑混凝土应变率效应的空间结构动力有限元计算。2)程序能够很好的通过数据交换利用ANSYS进行前后处理。3)对于多种材料、多种加载方式的静、动力求解可以在同一程序中进行实现。程序中通过多个控制选项,实现各种工况的组合求解。4)程序具有一定的通用性,提供了多个材料模型的选择,应用灵活,对于各种不同的模型表达式,便于进行修改。 通过对三弯点梁试验模型的计算和分析,得出以下两点结论:1)构造的混凝土率型本构模型和破坏准则能够反映出混凝土的强度随应变率的提高而增加的特性。2)通过对三弯点梁弯拉试验模型的计算分析,混凝土应变率每提高一个量级,动态弯拉强度较静态增加约8%。
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