基于ABAQUS的混凝土损伤本构模型与LSDYNA的JHC本构模型分析与研究
1问题引出的意义
在土木行业中，钢筋混凝土框架仿真模型是一种有限元重要仿真分析模型，基于混凝土框架结果的模型和分析有助于我们更好了解实际生产中的混凝土框架结构的力学响应行为，诸如框架的弹塑性变形、框架的损伤甚至框架的破坏失效。我们知道一个有限元模型的准确性与模拟材料的本构模型选取之间具有不可分割的直接关系，那么就有必要对常见描述混凝土材料的本构模型进行对比分析，这也是本案例实施的意义所在。
2研究问题描述
基于上述对混凝土本构模型的思考及笔者使用联合仿真的经验，对基于ABAQUS的非关联流动法则混凝土损伤模型与基于ANSYS/LSDYNA软件的JHC本构模型进行了理论上的分析，分别通过ABAQUS软件建立了混凝土框架模型并使用对应损伤模型、使用LSDYNA建立混凝土材料的JHC模型，最后对比观察材料的损伤分布效果。
3混凝土损伤本构模型分析
3.1基于ABAQUS的非关联流动法则的混凝土损伤模型
在ABAQUS中，创建混凝土材料的本构模型是通过工具箱中的create material命令进行的。模型首先定义混凝土的基本弹性属性，主要是弹性模量、泊松比、密度。之后再定义混凝土损伤塑性塑性，主要是膨胀角、塑性势偏移量、双轴受压初始屈服应力与单轴受压初始屈服应力比值、K值、黏度系数五个参数。这些参数通过查阅《混凝土结构设计规范》均可以得到准确的参数值。最后通过定义混凝土损伤系数完成整个混凝土本构模型的建立，综上，得出的混凝土材料的本构参数如表1所示。本文以已经建立的钢筋混凝土框架模型为例，在ABAQUS中对其进行混凝土材料本构参数的操作如图1所示。
图1混凝土材料本构参数设置
分析：在损伤系数的定义中，应特别注意以下几点，
1.ABAQUS的混凝土损伤本构模型采用的是非关联的流动法则，其中系数Dilation Angle，即膨胀角控制着塑性势函数开口的大小。膨胀角越小，材料越容易破坏，那么相应的结构计算机构就偏向安全，但膨胀角越小就越不容易收敛。因此，膨胀角的取值应当适中，本案例中混凝土本构参数中的膨胀角取值一般在30~35之间，取30。
2.Eccentricity（塑性势偏移量）决定了塑性势函数趋近其渐近线的速率。该参数的引入主要是为了保证塑性势函数的连续、光滑及塑性势函数在顶点处的可导性。本案例取值0.1。
3.Viscosity Parameter（黏度系数）是为了使材料模型在软化阶段更容易收敛，仍然保持0.1。
3.2基于ANSYS/LSDYNA的混凝土JHC损伤本构模型
对于混凝土材料的本构模型众多学者进行了深入分析研究以期望获得一个更加准确描述混凝土材料在压缩拉伸等力学变化过程中的断裂行为。除去上述本构损伤模型以外，还有一种专门用来描述混凝土材料的本构模型JHC本构模型。然而，Abaqus自带的材料模型中并没有JHC本构，其提供了内置的子程序以供调用。为方便分析进行，本文借助LSDYAN平台对该本构模型各参数含义进行分析以了解此种本构模型的优势之处，LSDYNA中对该JHC本构参数的定义界面如图2所示。JHC本构模型是LSDYNA软件材料库中常用于模拟脆性材料的方程之一，尤其是方程中对材料的逐渐累积损伤的计算使得其能够准确模拟脆性材料的大变形、高应变率效应问题。JHC本构包括应力应变模型、损伤失效模型、静水压力模型以及多项式状态方程[1-2]。
图2 LSDYNA中的JHC混凝土本构参数定义界面
JHC本构模型参数见本案例pdf
基于ABAQUS的混凝土损伤本构模型与LSDYNA的JHC本构模型比较分析.pdf
分析：基于上述JHC本构模型参数的含义理解与分析，参考陈建林教授对各个参数做出的试验实际标定可以得出混凝土材料的各个JHC本构参数具体值如表1所示[3]，试验中混凝土采用的素混凝土试件的质量配比为：石膏：325#水泥：沙：水=0．1：0．9：3：0．5，所使用的砂粒粒径不大于0.63 mm，成形后在振动台上振动压实，然后在自然环境下干燥养护7天。
Table1 Constitutive Parameters of Cement Mortar JHC
fc |
E |
v |
G |
K |
8.87 MPa |
7.73GPa |
0.18 |
3.27 GPa |
4.06 GPa |
Pcrush |
ucrush |
|
ulock |
T |
2.96MPa |
0.000729 |
2099kg/m3 |
0.118 |
2.9MPa |
|
C |
A |
D1 |
D2 |
0.33 |
0.0004 |
0.754 |
0.0446 |
1.0 |
EFMIN |
B |
N |
SMAX |
|
0.022 |
1.41 |
0.34 |
7 |
分析：
1.JHC本构参数及其繁杂，但也正因如此，其考虑了材料在挤压过程中的损伤累积效应，更加能够准确反映出混凝土材料的非线性变形等力学行为，如拉伸断裂引起的裂纹延伸行为。
2.对比混凝土损伤本构模型和JHC本构模型，发现基于非关联流动法则的损伤本构模型参数相对简单，适用于处理混凝土材料在未发生破坏或小损伤情况下的本构描述，对于高速冲击、碰撞等非线性大变形问题求解，JHC本构相对能够更好描述混凝土材料的损伤演变行为。
4结论
本研究通过对比分析了两种不同模拟混凝土的本构损伤模型，研究了不同本构模型中各个参数的含义及自身理解，对混凝土材料的损伤参数给出了自己的理解，本研究可为土木行业中混凝土材料本构模型的选取一定的借鉴参考意义。
参考文献
[1] Wang Z L.Wang J G．Li Y C．Attenuation effect of artificial cavity on air-blast waves in an intelligent deferise Iayer Comput Geotech，200633(2):132.141.
[2] Duane S C, Khahn B, Christian K. Implementation and Validation of the Johnson－Holmquist Ceramic Material Model in LS-Dyna. 4th European LS-DYNA Users Conference
(Material 1): 47~60.
[3] 陈建林,李旭东,刘凯欣. 素混凝土本构模型参数的实验研究[J]. 北京大学学报（自然科学版）,2008,44(5):689-694. DOI:10.3321/j.issn:0479-8023.2008.05.004.
