活性粉末混凝土SHPB试验的数值仿真

焦楚杰，李习波，郏晨

（1.广州大学土木工程学院，广州 510006；2.广州宝贤华瀚建筑工程设计有限公司，广州 510095）

活性粉末混凝土SHPB试验的数值仿真

焦楚杰1，李习波1，郏晨2

（1.广州大学土木工程学院，广州 510006；2.广州宝贤华瀚建筑工程设计有限公司，广州 510095）

采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA，选用HJC本构模型，对活性粉末混凝土（RPC）的分离式霍普金森压杆（SHPB）冲击压缩试验进行了数值仿真，再现了RPC试件在冲击试验过程中试件的破坏过程．将仿真结果与实测结果进行了对比分析，两者相似性较好，揭示了RPC在受冲击过程中，试件受力、变形、开裂、破碎的规律，也反映出钢纤维增强RPC具有优良的抗冲击性能．

钢纤维；活性粉末混凝土（RPC）；SHPB；冲击压缩；数值仿真

活性粉末混凝土（ReactivePowderConcrete，简称RPC）是上世纪90年代法国学者Richard P和Cheyrecy M[1]研制出的具有高强度、高韧性、高耐久性的水泥基复合材料．在军事防护工程领域具有非常广阔的应用前景．笔者在前期RPC的SHPB试验研究的基础之上[2-4]，采用有限元软件LS-DYNA对钢纤维体积率为0、1%、3%、5%的RPC（分别编号为RPCV0、RPCV1、RPCV3、RPCV5）的SHPB冲击压缩试验进行数值仿真．

1 材料模型

混凝土采用三段多项式的HJC方程：1）线弹性阶段；2）塑性变形阶段；3）密实材料Hugoniot曲线，结合文献[5-6]确定HJC模型的各项计算参数．

子弹、入射杆和透射杆采用A3钢材料，均采用钢材料参数的线弹性模型．材料参数为：=7 800 kg/ m3，E=210GPa，v=0.3．

2 有限元模型的建立

按照冲击试验（如图1所示）实况进行有限元建模．

图1 SHPB装置示意图Fig.1 Schematic of SHPB

子弹、霍普金森压杆以及混凝土试件采用LS-DYNA软件中Solid164三维实体单元．

图2和图3所示分别为靠近试件的局部网格和混凝土试件的有限元网格划分．

图2 靠近试样的局部网格图Fig.2 Localgrid approach concrete specimens

3 数值仿真结果

图3 混凝土试件的单元划分Fig.3 Elementdivision of the concrete specimens

图4和图5为不同钢纤维体积率的RPC的破坏过程．

图4 RPCV0试件（左）和RPCV1试件（右）的破坏过程（v=20m/s）Fig.4 Destroy processof RPCV0(left)and RPCV1(right)specimens(v=20m/s)

图6为RPCV1的试验与模拟破坏形态对比，从图6可见，数值仿真的试件破坏结果与实测的试件破坏结果比较接近．

图5 RPCV3试件（左）和RPCV5试件（右）的破坏过程（v=20m/s）Fig.5 Destroy processof RPCV3(left)and RPCV5(right)specimens(v=20m/s)

图6 RPCV1试验与模拟破坏形态Fig.6 Testand simulated destruction pattern of RPCV1

4 结论

1）通过SHPB冲击试验与数值仿真破坏结果的对比，两者相似性较好，反映出了RPC试件在冲击压缩作用下的破坏特征，同时也说明本文选用的本构模型、材料参数等较为合理．

2）数值仿真揭示了钢纤维增强RPC具有优良的抗冲击性能．在相同的打击速度下，钢纤维含量高的RPC各个时刻的破坏程度明显轻于钢纤维含量低者，RPCV0几乎完全碎裂时，RPCV5还基本能保持整体．

3）数值仿真再现了瞬态冲击下试样的破坏过程，揭示了试件受力、变形、开裂、破碎的规律．在冲击过程中，试件的破坏顺序是：破碎块体首先从周边开始脱落，之后逐渐开始向试件中间发展．

[1]Richard P，Cheyrecy M．Composition of reactive powderconcretes[J]．Cementand ConcreteResearch，1995，25（7）：1501-1511．

[2]郏晨，焦楚杰，张亚芳，等．钢纤维活性粉末混凝土SHPB试验研究[J]．广州大学学报：自然科学版，2013，12（2）：56-60．

[3]孙伟，焦楚杰．活性粉末混凝冲击拉伸试验研究[J]．广州大学学报：自然科学版，2011，10（1）：42-47．

[4]高乐．活性粉末混凝土高压状态方程研究[D]．广州：广州大学，2011．

[5]巫绪涛，李耀，李和平．混凝土HJC本构模型参数的研究[J]．应用力学学报，2010，27（2）：340-345．

[6]张凤国，李恩征．混凝土撞击损伤模型参数的确定方法[J]．弹道学报，2001，13（4）：12-17．

[责任编辑 田丰]

Numericalsimulation of SHPB experimentsof reactive powder concrete

JIAOChu-jie1，LIXi-bo1，JIA Chen2

(1.School of Civil Engineering,Guangzhou University,Guangzhou 510006,China;2.Guangzhou Baoxian Huahan A rchitecture Engineering Design,Co Ltd,Guangzhou 510095,China)

By finiteelementsoftware ANSYS/LS-DYNA,and using HJC constitutivemodel,the impactcompression experimentsof reactivepowderconcrete(RPC)by splitHopkinson pressurebar(SHPB)weresimulated numerically, and thedestruction processof the RPCspecimensduring the testweredemonstrated.The resultsofnumericalsimulation exhibited sim ilarity to those of experiment,and showed the rules of the RPC specimen stress,deformation,cracking and crushing during the im pactprocess，also show ed theexcellentimpact resistancepropertiesof thesteel fiber reinforced RPC.

steel fiber;reactive powder concrete(RPC);SHPB;im pact compression;numerical simulation

TU 377；TU528

A

1007-2373(2014)06-0066-03

10.14081/j.cnki.hgdxb.2014.06.017

2014-09-05

国家自然科学基金（51278135，51478128）；住房和城乡建设部科研开发项目（2010-k3-27，2010-k4-18）

焦楚杰（1974-），男（汉族），教授，博士，Email：jiaochujie@sina.com．

数字出版日期：2014-12-17数字出版网址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20141217.0855.002.htm l