强冲击载荷下钢筋混凝土动力学行为的杂交物质点有限元法模拟

【摘要】：作为广泛应用的建筑材料,钢筋混凝土具有良好的可压缩力学性能。研究其在爆炸、冲击侵彻载荷作用下的动力学行为对于保护人民生命财产、国防防御有着重要的意义。目前,国内外学者广泛采用有限元或者欧拉算法开展此类问题的数值模拟。但是,采用有限元算法模拟时,必须开启侵蚀算法将变形过大的单元删除,以避免网格畸变带来的困难,而这种算法并不符合物理规律;采用欧拉算法时,物理界面处理较为困难,另外对流项的存在亦使求解更为复杂。物质点算法作为一类无网格算法避免了此两种算法固有的缺陷,同时充分吸收了拉格郎日和欧拉法的优点,在冲击爆炸等涉及特大变形问题的数值模拟中具有重要的发展潜力。由于钢筋直径尺寸相对混凝土来说非常小,如果直接用物质点对钢筋进行离散,计算成本将会很高。为解决该问题,本文将传统有限元法引入物质点法中,提出了杂交物质点有限元法。该方法采用杆单元模拟钢筋,用Holmquist-Johnson-Cook(HJC)模型模拟素混凝土。基于此,对爆炸侵彻载荷作用下钢筋混凝土的动力学行为进行了模拟,包括卵形钢弹侵彻钢筋混凝土和空气中球状TNT炸药爆炸对钢筋混凝土板的冲击两类算例,数值模拟结果与实验结果吻合较好,说明杂交物质点有限元法在此类工程问题模拟中具有广阔的应用前景。