珊瑚混凝土高速冲击力学性能的实验研究与数值模拟

论文摘要

自我国实施“海洋强国”战略以来,南海诸岛的开发以及基础设施建设、防护工程建设加速。配制高强高韧性全珊瑚海水混凝土,对于岛礁工程建设、修复混凝土工程及军事防护工程均具有重要的现实意义。本文设计了3组强度等级全珊瑚海水混凝土（Coral aggregate seawater concrete,CASC）、3组掺加剑麻纤维的全珊瑚海水混凝土（Sisal fibercoral aggregate seawater concrete,SFCASC）和1组普通混凝土（Ordinary portland concrete,OPC）,通过测定其基本力学性能、准静态及动态冲击力学性能,研究了剑麻纤维对不同强度等级的CASC静、动态力学性能的影响规律,最后利用LS-DYNA对冲击力学性能进行了数值模拟。全文主要结论如下:1.对CASC和SFCASC进行了抗压强度、劈拉强度和轴向拉伸强度等基本力学性能测试,实验研究结果表明,C30、C50、C70三个强度等级的CASC,在剑麻纤维掺量为3 kg/m3时,CASC立方体抗压强度增加8.0%15.5%,劈拉强度增加7.3%45.4%;2.对CASC圆柱体试件进行了单轴拉伸试验,得到了单轴拉伸应力—应变曲线。结果表明,SFCASC轴向拉伸强度比CASC增加7.5%、6.6%、6.5%,SFCASC的抗拉弹性模量Ec比CASC增加11.2%、10.7%、8.0%。C50强度等级的CASC和SFCASC比OPC的Ec分别低22.4%、14.2%。CASC拉伸Ec比压缩Ec高36.2%、36.8%、26.4%,SFCASC的拉伸Ec比压缩Ec高90.9%、41.9%、27.3%,并分别建立了CASC与SFCASC轴向拉伸强与劈裂拉伸强度、轴向拉伸强度与立方体压缩强度、轴向拉伸强度与弹性模量的关系式;3.对CASC棱柱体试件进行了单轴压缩试验,得到了轴心抗压强度和单轴压缩应力—应变曲线。结果表明,CASC的轴心抗压强度与立方体抗压强度之间具有显著的线性关系,剑麻纤维不仅具有增强作用,而且具有明显的增韧作用,能够改善CASC的脆性,其应力应变曲线下降阶段的残余应力比CASC和轻骨料混凝土均高;4.利用分离式霍普金森压杆对CASC与SFCASC进行了冲击压缩试验,结果表明,CASC冲击压缩具有明显的应变率效应,动态增强因子DIF与应变率的对数呈线性关系,采用欧洲混凝土委员会推荐的DIF计算公式拟合了冲击压缩DIF与应变率的关系;CASC韧性指数与应变率呈线性增长关系,剑麻纤维对中、低强度等级（C30C50）的CASC具有明显的动态增韧作用,对高强CASC（C70）则不具动态增韧作用;SFCASC对应变率的敏感度高于CASC和OPC,在相同的应变率下强度增长值更大,应变率在50 s-1160 s-1范围内,CASC的DIF随应变率的增长幅值大于OPC;5.采用LS-DYNA对C50强度等级的CASC在78 s-1、101 s-1两种工况下进行数值模拟,通过静态试验测得的参数值及调试结果确定了HJC的21个参数值,并对试件实际破坏形态与模拟破坏形态、实测应力与应变值进行了对比,二者吻合良好,表明采用该方法模拟具有较高的可信度;6.利用分离式霍普金森压杆对CASC与SFCASC进行了冲击劈拉试验,采用欧洲混凝土委员会推荐的DIF计算公式对冲击劈拉DIF与应变率的关系进行拟合;冲击劈拉过程中试件出现劈拉与压缩的耦合破坏时,该应变率为冲击劈拉的临界应变率上限,超过该上限的应力值不作为讨论冲击劈拉的应力;7.利用分离式霍普金森拉杆对CASC与SFCASC进行了冲击直接拉伸试验,结果表明,SFCASC对应变率的敏感度最高,冲击韧性指数η（SFCASC）>η（OPC）>η（CASC）,采用欧洲混凝土委员会推荐的DIF计算公式拟合了冲击轴拉DIF与应变率的关系;通过对冲击劈拉与冲击轴拉试验的优缺点的对比探讨,建立了冲击劈拉DIF与冲击轴拉DIF的转化关系式,并对比了冲击压缩DIF、冲击劈拉DIF与冲击直接拉伸DIF的关系。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 注释表
• 缩略表
• 第一章 绪论
•   1.1 课题的研究背景与意义
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 珊瑚混凝土存在的问题
•   1.4 混凝土的动态力学性能
•   1.5 研究内容
•   1.6 研究方案与技术路线
• 第二章 全珊瑚海水混凝土试件的制备与基本物理力学性能
•   2.1 引言
•   2.2 原材料与配合比
•     2.2.1 原材料及基本性能
•     2.2.2 配合比
•   2.3 试件制备与加工
•     2.3.1 试件制备
•     2.3.2 试件加工工艺
•   2.4 基本力学性能试验方法
•   2.5 基本物理力学性能
•     2.5.1 抗压强度
•     2.5.2 劈裂抗拉强度
•   2.6 本章小结
• 第三章 全珊瑚海水混凝土单轴受压及受拉应力-应变关系
•   3.1 引言
•   3.2 单轴压缩应力—应变关系
•     3.2.1 试验方法
•     3.2.2 力学参数的计算及数据处理方法
•     3.2.3 CASC单轴受压试验结果
•     3.2.4 剑麻纤维增强全珊瑚海水混凝土
•     3.2.5 轴心抗压强度与弹性模量的关系
•     3.2.6 不同种类混凝土的应力-应变全曲线对比
•     3.2.7 单轴受压的破坏形态分析
•     3.2.8 泊松比与体积应变
•     3.2.9 压缩韧性
•     3.2.10 应力应变本构关系
•   3.3 轴向拉伸应力—应变关系
•     3.3.1 轴向拉伸试验方法
•     3.3.2 抗拉应力—应变曲线
•     3.3.3 试件轴拉破坏形态分析
•     3.3.4 轴拉强度与轴拉弹性模量的关系
•     3.3.5 拉伸泊松比
•     3.3.6 劈裂抗拉强度与轴向拉伸强度的关系
•     3.3.7 轴向拉伸强度与立方体抗压强度的关系
•   3.4 本章小结
• 第四章 全珊瑚海水混凝土冲击压缩力学性能
•   4.1 引言
•   4.2 霍普金森压杆原理及用法
•     4.2.1 霍普金森压杆设备简介
•     4.2.2 霍普金森压杆原理
•   4.3 试验方法
•     4.3.1 电压应变转化系数标定
•     4.3.2 试验操作
•     4.3.3 数据有效性验证
•   4.4 实验结果及分析
•     4.4.1 试验结果
•     4.4.2 应变率效应
•     4.4.3 吸能性能
•   4.5 CASC、SFCASC与 OPC冲击压缩性能的比较
•   4.6 破坏形态分析
•   4.7 冲击压缩试验数值模拟
•     4.7.1 HJC模型理论概述
•     4.7.2 模型建立
•     4.7.3 HJC模型参数的确定
•     4.7.4 侵蚀参数的确定
•     4.7.5 冲击压缩模拟结果与试验结果对比
•   4.8 本章小结
• 第五章 全珊瑚海水混凝土冲击拉伸力学性能
•   5.1 引言
•   5.2 珊瑚海水混凝土冲击劈拉试验
•     5.2.1 冲击劈拉实验原理
•     5.2.2 起裂点位置验证
•     5.2.3 试验结果
•     5.2.4 应变率效应
•     5.2.5 CASC、SFCASC与 OPC冲击劈拉强度对比
•     5.2.6 破坏形态分析
•   5.3 全珊瑚海水混凝土冲击直接拉伸试验
•     5.3.1 分离式霍普金森拉杆介绍
•     5.3.2 冲击轴拉试验方法
•     5.3.3 试验结果
•     5.3.4 应变率效应
•     5.3.5 吸能性能
•     5.3.6 CASC、SFCASC与 OPC冲击拉伸的比较
•     5.3.7 破坏形态分析
•   5.4 冲击劈拉与冲击直接拉伸的结果对比与讨论
•     5.4.1 基本原理和基本假定
•     5.4.2 试验操作对比
•     5.4.3 冲击劈拉与冲击轴拉的关系
•     5.4.4 冲击压缩、冲击劈拉与冲击轴拉DIF的对比
•   5.5 本章小结
• 第六章 全文总结与展望
•   6.1 全文总结
•   6.2 创新点
•   6.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 岳承军

导师: 余红发

关键词: 全珊瑚海水混凝土,剑麻纤维,分离式霍普金森杆,应变率效应,临界应变率,韧性指数,应力应变关系,本构模型

来源: 南京航空航天大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 南京航空航天大学

分类号: P75

DOI: 10.27239/d.cnki.gnhhu.2019.000911

总页数: 128

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