混凝土类材料的含损伤动静态力学行为和抗侵彻性能研究

杨静

摘 要：作为一种典型脆性材料，混凝土材料在工程建设领域得到了广泛地应用。其作为常用的施工材料，主要是按照一定配合比将水泥、水、粗骨料等材料混合制成，其内部所有成分的物理、力学性能存有极大不同，与金属类材料相比，混凝土材料力学特性更为复杂，尤其是动静态力学性能，这也是国内外学者研究的重点。本文主要对混凝土类材料的含损伤动静态力学行为和抗侵彻性能进行了分析与探讨。

关键词：混凝土类材料；抗侵彻性能；动静力学性能

中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）06-0112-02

混凝土准静态下力学性能为混凝土材料研究的重点，伴随实验技术的不断提升及设备的更新换代，可完成单轴压缩、拉伸等准静态低压下的力学性能实验。但在大量动态实验数据面前，大量研究证明混凝土材料属于应变率敏感材料，因此在具体受力破坏下混凝土材料不再属于常规性的准静态，如高速撞击、抗侵彻等情况下，混凝土破坏不再属于准静态破坏，而需归入到动态破坏行列，如依旧选用准静态力学性能研究标准，则存有的偏差较大，这种情况下，必须对混凝土类材料的含损伤动静态力学行为及抗侵彻性能进行探讨。

1 混凝土类材料的含损伤动静态力学行为分析

在社会发展中，并不存在完全没有缺陷的材料，材料的内部都会存有一定缺陷，在外部因素影响下，此类缺陷将逐步扩展，并最终损害材料。为此，本文通过含损伤本构模型的建立进行材料力学性能地研究。本文在将“等效微孔洞体系”合理引入后，并在損伤演化中引入了孔洞体积，其有机结合“有核长大模型”，可进行拉伸性损伤演化方程、压剪耦合损伤演化方程的建立。这样不仅能够由细观方面定义损伤的独立物理量，还能通过细观统计方面对损伤演化动机进行详细分析。由显微结构分析，混凝土内的微观裂纹、孔洞尺寸及形状各不相同，也可叫做损伤核。其通过外部环境作用而逐步扩大，这符合晶体理论。

1.1 拉伸损伤演化方程

总体积为V的介质所有等效微孔洞总体积可由Vd表示，则其实体部分总体积可由Vs表示，其公式为：Vs+Vd=V。根据损伤统一描述模型，在拉伸型或压剪耦合损伤下，都可选用D表示其等效微孔洞体系损伤，公式如下：

进而产生公式：

当孔洞不断扩大后，其具有不同的绝对长大率，但于拉伸型损伤而言，可假设其具有相同的孔洞长大起始拉伸阙值应力σ0，同时所有等效孔洞的相对长大率可和相对超阙值应力函数成比例，由此可见整个介质总孔洞体积相对长大率和相对超阙值应力函数同样存有比例关系，如下：

其中材料常数可有a表示，通过以上公式可得出，一般情况，拉伸型损伤演化方程为下式：

假设实体材料不可压，其演化方程可由下式表示：

1.2 混凝土本构模型中压剪耦合损伤演化方程的应用

假设材料为标准线弹性材料（无损伤），则σ=Eε为其应力应变曲线。因材料具有非线性效应、损伤软化效应，导致具体材料应力应变曲线与此关系不符。同时，因混凝土类材料具有极小非线性效应，可看做该偏离、不符现象产生的原因为损伤。按照应变等效原理（Lemaitre提出）即“无损材料本构方程可进行受损材料本构关系转换”。因此，可将混凝土材料当做是没有受损的材料，此时不改变应变ε，可通过损伤材料实体应力替代表观应力，则含损伤脆弹性线形损伤软化本构关系公式如下：

在此基础上，可选取最小二乘法优化拟合此次混凝土MTS实验的等应变率应力应变曲线，可将损伤演化方程内的待定参数等优选出来。通过相关试验得出，在没有达到理想破坏状态前材料即以失效。

这种情况下，，以此得出材料真实极限破坏损伤值，即D=Dc=0.382，其为材料失效破坏准则。

如裂纹出现在混凝土内部损伤过程中，往往会选取CT技术对其产生、发展状况进行观测，通过图1可清楚了解混凝土试件一个位置轴向不同时的应力情况，由此得出，抗压强度与峰值不符前，裂纹裂开现象并不显著，且数量变化较小，当其满足峰值时，则在不断加载状态下裂纹在较短时间内将快速增大且数量增多。也就是说弹性阶段损伤速度较慢，当与应力峰值相近后，损伤速度才进一步加快，当满足峰值后，损伤发展速度更为迅速。

2 混凝土靶板抗侵彻性能分析

为更好地分析混凝土类材料抗侵彻性能，可进行混凝土靶抗侵彻试验，选取500mm直径、250mm高的圆柱体作为靶板，通过钢板（1.4mm后）在靶板附近围结加固，选取半球头脱壳尾翼钻地弹作为弹体，290g为弹体质量，其中152g为弹芯重量，113mm长，14.5mm为其直径。通过实验得出结果如表1。

实验中，可进行部分侵彻弹回收，侵彻混凝土靶板后的回收弹体刮痕较为显著，弹头存有消蚀现象，但弹丸几乎没有改变，表明速度较低状态下，变形问题基本不会出现在侵彻混凝土靶板后的弹体，因此这种情况下，可不考虑弹体侵彻环节的变形、质量损耗等问题，也可把其看做是刚体，遵循能量守恒定律，可获取侵彻弹靶板贯穿环节的能量损失情况。同时，当不断提升入射速度时，侵彻单位厚度靶板具有显著能耗现象，其主要原因在于提升入射速度后，将进一步扩大靶板破坏范围，并提升碎片扩散速度，进而增加能耗。

在混凝土冲击性能研究方面，本构模型较多，如RHT模型、伪张量模型、HJC模型等。本文选取HJC模型进行分析，因该模型不涵盖失效准则，因此选取该模型进行弹丸侵彻混凝土模拟时，因弹体可穿透靶板，应对单元进行失效指标设定，当满足设定的失效指标时，可认为此单元已失效，并将此网格单元删除。通常需进行最大主应变失效准则地确定，0.5为最大主应变，也就是说0.5为单元最大应变时，此单元失效，需将其网格单元删除。通过以上叙述，可模拟混凝土靶板抗侵彻环节的数值，并获取初始速度与剩余速度之间的关联性，如表2所示。

通过表2得出，5%以下模拟结果和实验结果之间的偏差值。通过增加入射速度，可加强单位厚度靶板的吸能力量，其原因在于速度加快将损耗开坑能量，加大靶板破坏面积。除此之外，在速度较低情况下，不断提升侵彻速度，将增大弹丸剩余速度。同时，不断增加入射速度，其侵彻速度降低速度也会随之加快，这就说明增加弹丸入射速度，也将增加混凝土靶的抗侵彻能力。且在侵彻环节，侵彻速度可呈现线性下降状态，这就表明在入射速度相同的情况下，在靶板贯穿环节，混凝土靶的抗侵彻性能不会发生改变，则弹丸侵彻阻力变化较低。

3 结语

综上所述，随着社会经济发展速度的不断提升，混凝土类材料在建筑、工业等行业应用愈加广泛。为更好地提升混凝土类材料质量，必须充分了解其性能，本文通过对混凝土类材料含损伤动静态力学行为及抗侵彻性能的分析，更为深入地掌握了混凝土类材料的性能，为提高工程建设质量提供了可靠的保障。

参考文献

[1]李煦阳.孔隙类工程材料的静动态力学性能研究和在防护工程中的应用[D].中国科学技术大学，2014.