活性粉末混凝土SHPB試驗的數(shù)值仿真

焦楚杰，李習波，郟晨

（1.廣州大學土木工程學院，廣州 510006；2.廣州寶賢華瀚建筑工程設計有限公司，廣州 510095）

活性粉末混凝土SHPB試驗的數(shù)值仿真

焦楚杰1，李習波1，郟晨2

（1.廣州大學土木工程學院，廣州 510006；2.廣州寶賢華瀚建筑工程設計有限公司，廣州 510095）

采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，選用HJC本構模型，對活性粉末混凝土（RPC）的分離式霍普金森壓桿（SHPB）沖擊壓縮試驗進行了數(shù)值仿真，再現(xiàn)了RPC試件在沖擊試驗過程中試件的破壞過程．將仿真結果與實測結果進行了對比分析，兩者相似性較好，揭示了RPC在受沖擊過程中，試件受力、變形、開裂、破碎的規(guī)律，也反映出鋼纖維增強RPC具有優(yōu)良的抗沖擊性能．

鋼纖維；活性粉末混凝土（RPC）；SHPB；沖擊壓縮；數(shù)值仿真

活性粉末混凝土（ReactivePowderConcrete，簡稱RPC）是上世紀90年代法國學者Richard P和Cheyrecy M[1]研制出的具有高強度、高韌性、高耐久性的水泥基復合材料．在軍事防護工程領域具有非常廣闊的應用前景．筆者在前期RPC的SHPB試驗研究的基礎之上[2-4]，采用有限元軟件LS-DYNA對鋼纖維體積率為0、1%、3%、5%的RPC（分別編號為RPCV0、RPCV1、RPCV3、RPCV5）的SHPB沖擊壓縮試驗進行數(shù)值仿真．

1 材料模型

混凝土采用三段多項式的HJC方程：1）線彈性階段；2）塑性變形階段；3）密實材料Hugoniot曲線，結合文獻[5-6]確定HJC模型的各項計算參數(shù)．

子彈、入射桿和透射桿采用A3鋼材料，均采用鋼材料參數(shù)的線彈性模型．材料參數(shù)為：=7 800 kg/ m3，E=210GPa，v=0.3．

2 有限元模型的建立

按照沖擊試驗（如圖1所示）實況進行有限元建模．

圖1 SHPB裝置示意圖Fig.1 Schematic of SHPB

子彈、霍普金森壓桿以及混凝土試件采用LS-DYNA軟件中Solid164三維實體單元．

圖2和圖3所示分別為靠近試件的局部網(wǎng)格和混凝土試件的有限元網(wǎng)格劃分．

圖2 靠近試樣的局部網(wǎng)格圖Fig.2 Localgrid approach concrete specimens

3 數(shù)值仿真結果

圖3 混凝土試件的單元劃分Fig.3 Elementdivision of the concrete specimens

圖4和圖5為不同鋼纖維體積率的RPC的破壞過程．

圖4 RPCV0試件（左）和RPCV1試件（右）的破壞過程（v=20m/s）Fig.4 Destroy processof RPCV0(left)and RPCV1(right)specimens(v=20m/s)

圖6為RPCV1的試驗與模擬破壞形態(tài)對比，從圖6可見，數(shù)值仿真的試件破壞結果與實測的試件破壞結果比較接近．

圖5 RPCV3試件（左）和RPCV5試件（右）的破壞過程（v=20m/s）Fig.5 Destroy processof RPCV3(left)and RPCV5(right)specimens(v=20m/s)

圖6 RPCV1試驗與模擬破壞形態(tài)Fig.6 Testand simulated destruction pattern of RPCV1

4 結論

1）通過SHPB沖擊試驗與數(shù)值仿真破壞結果的對比，兩者相似性較好，反映出了RPC試件在沖擊壓縮作用下的破壞特征，同時也說明本文選用的本構模型、材料參數(shù)等較為合理．

2）數(shù)值仿真揭示了鋼纖維增強RPC具有優(yōu)良的抗沖擊性能．在相同的打擊速度下，鋼纖維含量高的RPC各個時刻的破壞程度明顯輕于鋼纖維含量低者，RPCV0幾乎完全碎裂時，RPCV5還基本能保持整體．

3）數(shù)值仿真再現(xiàn)了瞬態(tài)沖擊下試樣的破壞過程，揭示了試件受力、變形、開裂、破碎的規(guī)律．在沖擊過程中，試件的破壞順序是：破碎塊體首先從周邊開始脫落，之后逐漸開始向試件中間發(fā)展．

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

[2]郟晨，焦楚杰，張亞芳，等．鋼纖維活性粉末混凝土SHPB試驗研究[J]．廣州大學學報：自然科學版，2013，12（2）：56-60．

[3]孫偉，焦楚杰．活性粉末混凝沖擊拉伸試驗研究[J]．廣州大學學報：自然科學版，2011，10（1）：42-47．

[4]高樂．活性粉末混凝土高壓狀態(tài)方程研究[D]．廣州：廣州大學，2011．

[5]巫緒濤，李耀，李和平．混凝土HJC本構模型參數(shù)的研究[J]．應用力學學報，2010，27（2）：340-345．

[6]張鳳國，李恩征．混凝土撞擊損傷模型參數(shù)的確定方法[J]．彈道學報，2001，13（4）：12-17．

[責任編輯 田豐]

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

國家自然科學基金（51278135，51478128）；住房和城鄉(xiāng)建設部科研開發(fā)項目（2010-k3-27，2010-k4-18）

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

數(shù)字出版日期：2014-12-17數(shù)字出版網(wǎng)址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20141217.0855.002.htm l