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活性粉末混凝土冲击压缩性能研究

作　者: 王勇华
导　师: 王正道
学　校: 北京交通大学
专　业: 固体力学
关键词: 活性粉末混凝土(RPC) 分离式霍普金森压杆(SHPB) 应变率波形整形动态应力强度因子静水压力效应有限元
分类号: TU528.572
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

活性粉末混凝土(RPC)是一种新型超高性能混凝土材料，由于其具有超高强、低脆性、高耐久性且经济环保等优良特性，在土木工程的各个领域具有广阔应用前景。混凝土材料在结构工程应用中，除承受准静态载荷作用外，往往还要承受撞击、爆炸等动载荷的作用，因此了解其动态力学性能是工程应用的关键。目前关于RPC的研究还局限于改进制备工艺，以及准静态加载条件下材料的力学、物理特性，对其动态力学性能的研究很少涉及。此外，虽然关于混凝土类材料的冲击实验和理论研究已有大量报道，但这类材料具有很强的静水压力相关性，冲击载荷作用下其性能的改变不仅仅是应变率效应引起的，由于惯性效应造成静水压力的改变也会影响其动态力学性能，而以往报道中往往将这二者笼统理解为应变率效应，结果往往高估了材料的应变率效应，由此建立的动态本构模型自然也不能有效反映材料的真实动态力学特性。本文对钢纤维体积含量分别为0％、1.5％和2.0％的三种RPC材料进行了不同应变率下的冲击压缩实验研究，实验装置为分离式霍普金森压杆(SHPB)。文中给出了不同钢纤维含量RPC材料在不同应变率下的破坏形态、应力～应变关系以及钢纤维含量对RPC材料力学性能的影响。实验过程中还采取了一系列确保动态测试结果可靠性的措施，如：为了减小高频振荡影响和提高加载过程中应变率的均匀性，实验过程中选用了多种整形器，通过实测确定了针对该类材料较为理想的整形器材料和结构尺寸；为了消除试件和加载杆端面不平度造成的实验误差，在动态冲击实验中借鉴了电子万能试验机采用的万向头技术。RPC是一类应变率和静水压力均敏感的材料，实验得到的冲击压缩强度因子的提高是应变率效应和由于横向惯性导致静水压力提高共同作用的结果。为了对二者加以区分，我们首先通过准静态围压实验得到该类材料静水压力和压缩强度的关系，再通过线性Drucker-Prager模型有限元数值模拟SHPB冲击加载实验，得到不同应变率下由于横向惯性效应造成的材料动态强度因子的提高，进而结合冲击实验结果，得到由于应变率效应造成的材料动态强度因子的提高。在数值计算中，我们还模拟了样品的冲击破坏过程，并对不同加载波形在杆中传播的弥散效应进行了对比研究，进一步验证了本次实验所选整形器的合理性和必要性。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-24
  1.1 RPC材料及其工程应用实例  12-17
    1.1.1 RPC材料的优点  12-14
    1.1.2 RPC材料及工艺研究  14-15
    1.1.3 RPC工程应用实例  15-17
  1.2 RPC材料力学性能研究进展  17-22
    1.2.1 RPC准静态力学性能  17-18
    1.2.2 混凝土类材料动态性能研究进展  18-22
  1.3 本文研究的内容与目的  22-24
第二章 RPC材料制备与静态围压实验  24-34
  2.1 RPC的基本特征  24-25
  2.2 RPC材料的制备  25-28
    2.2.1 RPC200的原材料及其特性  25-26
    2.2.2 RPC样品尺寸的确定  26-27
    2.2.3 RPC制备工艺流程  27-28
  2.3 准静态围压实验  28-33
    2.3.1 实验装置  28-29
    2.3.2 静载实验设计  29-30
    2.3.3 实验结果分析  30-33
  2.4 本章小结  33-34
第三章 SHPB冲击压缩实验原理及可靠性分析  34-47
  3.1 SHPB的发展历史  34-35
  3.2 SHPB实验装置和功能介绍  35-38
  3.3 SHPB实验的基本原理  38-40
  3.4 SHPB实验的有效性与可靠性分析  40-46
    3.4.1 压杆二维效应产生的几何弥散  41-42
    3.4.2 试件中的二维效应  42-45
    3.4.3 试件中的应力及应变均匀性  45-46
  3.5 本章小结  46-47
第四章 RPC冲击压缩实验与结果分析  47-66
  4.1 试样样品和实验装置  47-48
  4.2 实验中注意的问题  48-55
    4.2.1 压杆严格对中的实现  48-49
    4.2.2 样品非平面接触的实验消除  49
    4.2.3 有效接地  49-51
    4.2.4 初始位置标记  51
    4.2.5 应变直测技术  51-52
    4.2.6 实验中其他需要注意的问题  52-55
  4.3 SHPB实验的整形设计  55-58
  4.4 同组实验的有效数据的选取分析  58-59
  4.5 实验波形曲线、实验结果数据列表与样品破坏情况  59-62
  4.6 结果分析  62-65
    4.6.1 应力均匀性分析  62-63
    4.6.2 应力-应变曲线分析  63-65
  4.7 本章小结  65-66
第五章 SHPB冲击压缩实验数值模拟分析  66-75
  5.1 横向惯性效应的数值模拟  66-71
    5.1.1 静水压力相关本构模型  66-67
    5.1.2 摩擦角的确定  67-68
    5.1.3 有限元模型  68-70
    5.1.4 数值模拟结果  70-71
  5.2 数值模拟的一些其他结果  71-74
    5.2.1 应力传播过程的模拟与分析  71-72
    5.2.2 样品冲击破坏过程数值模拟  72-73
    5.2.3 不同加载应力波的弥散分析  73-74
  5.3 本章小结  74-75
第六章结论与展望  75-77
  6.1 结论  75-76
  6.2 展望  76-77
参考文献  77-81
作者简历  81-83
学位论文数据集  83

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