[论文解读] Plastic-damage model for concrete in principal directions

Sergey Ananiev, Joško Ožbolt|ArXiv.org|Apr 20, 2007

Numerical methods in engineeringEngineering参考文献 18被引用 19

一句话总结

本文提出了一种用于混凝土的塑性-损伤模型，该模型在主应力空间中表述屈服面与最接近点投影，利用弹性预测应力与塑性应力状态之间的共轴性。通过采用与应力状态相关的标量参数，将非弹性应变分离为损伤与塑性分量，实现了高效的数值实现，并在代表性算例中表现出稳健的性能。

ABSTRACT

In the present paper a plastic-damage model for concrete is discussed. Based on the fact that for isotropic materials the elastic trial stress and the projected plastic stress states have the same eigenvec-tors, the loading surface is formulated in the principal stress space rather than using the invariants of stress tensor. The model assumes that the directions of orthotropic damage coincide with principal directions of elastic predictor stress state (motivated by coaxial rotated crack model). Due to this assumption, the load-ing surface and the closest point projection algorithm can still be formulated in the principal directions. The evolution of the inelastic strain is determined using minimization principle. Damage and plastic parts of the inelastic strain are separated using a scalar parameter, which is assumed to be stress dependent. The paper also discusses an effective numerical implementation. The performance of the model is demonstrated on one illustrative example.

研究动机与目标

• 开发一种用于混凝土的鲁棒本构模型，以捕捉复杂加载下塑性与损伤机制的共同作用。
• 通过直接在主应力空间中表述屈服面，解决传统模型依赖应力不变量所带来的局限性。
• 通过强制弹性预测应力状态与损伤和塑性应变方向保持共轴，确保损伤与塑性应变方向的一致性。
• 通过非弹性应变演化最小化原理，实现高效数值实现。
• 通过混凝土断裂力学中的代表性算例，验证模型性能。

提出的方法

• 在主应力空间中表述加载面，而非使用应力张量不变量，利用各向同性材料中弹性试算应力与塑性应力状态具有相同特征向量的特性。
• 假设正交各向异性损伤方向与弹性预测应力状态的主方向一致，受共轴旋转裂缝模型的启发。
• 采用与应力状态相关的标量参数，将非弹性应变分解为塑性与损伤分量。
• 采用最小化原理以确定非弹性应变的演化，确保热力学一致性。
• 推导主应力空间中的最接近点投影算法，简化数值实现。
• 在适用于有限元分析的计算框架中实现该模型，重点关注效率与稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在主应力空间中构建混凝土的塑性-损伤模型，以提升计算效率？
• RQ2 弹性预测应力与塑性应力状态之间的共轴性在确保损伤与塑性方向一致性方面起到何种作用？
• RQ3 如何利用与应力相关的标量参数，有效分解非弹性应变为塑性和损伤分量？
• RQ4 与传统的基于不变量的表述相比，使用主应力空间具有哪些数值优势？
• RQ5 该模型在复杂加载条件下捕捉混凝土断裂行为方面表现如何？

主要发现

• 该模型成功地在主应力空间中表述了屈服面与最接近点投影，避免了应力不变量变换的复杂性。
• 弹性预测应力与塑性应力状态之间的共轴假设确保了损伤与塑性应变方向的一致性，提升了物理真实性。
• 采用与应力相关的标量参数，实现了损伤与塑性应变贡献的清晰分离。
• 非弹性应变演化采用最小化原理，确保了热力学一致性与数值稳定性。
• 代表性算例验证了该模型捕捉关键混凝土断裂行为的能力，证明其在结构分析中的适用性。
• 数值实现高效，适用于集成到有限元代码中，用于实际工程分析。