Abaqus/Explicit-之混凝土压缩试验模拟（CDP模型应用）

        混凝土是建筑结构中常用的材料。在绝大多数情况下，它与钢筋（钢筋混凝土结构）结合使用。模拟混凝土的行为通常对工程师和施工人员构成重大挑战。

        主要挑战是由于混凝土的不同抗压缩和抗拉伸性能（抗压强度比抗拉强度高 10 倍）。受压区和受拉区混凝土的损伤破坏机理也不同。如今，也可以使用抗压强度高于 100 MPa 的超高性能混凝土 (UHPC)。但是，混凝土抗压试验是决定混凝土质量和等级的基本试验。这就是本文将介绍此测试的原因。混凝土损伤塑性 (CDP) 模型将用于描述混凝土在压缩试验中的行为。测试最初以压缩行为为主，但最终混凝土试件失效，形成特征剪切区。

混凝土压缩试验的数值建模

        混凝土试件的几何形状如图 1 所示。摩擦系数为 0.1 的接触定义在钢刚性板和混凝土圆柱体之间。在底板固定的情况下，使用上刚性板位移约 1mm 来压缩混凝土。

                    图1. 混凝土试件的几何形状

        CDP 模型使用子午线和偏平面中不同应力状态的四个主要参数来描述加载函数和塑性流动势函数的形状。对于小的压缩应变，假定混凝土的弹塑性行为，但它会导致更高应变的损坏和软化行为。在拉伸过程中，塑性区域非常小，刚好在 CDP 中达到拉伸强度后呈现脆性行为。CDP 模型中使用了混凝土软化行为的能量正则化。因此，应定义两条先受压后受拉的单轴测试曲线，以完成使用 CDP 进行混凝土建模的可能性。在数值模型中，下刚性板旋转 1° 以引入小缺陷。否则，在众多实验中发现的故障机制将无法 正确发展。

数值模拟结果

        Mises 等效应力的演变如图 2 在三个时间点所示，展示了 0.7、0.8 和 0.9 mm 的位移下的应力分布。开始时整个试样的应力接近均匀，但在试样开始被压碎和软化（较低的应力水平）后观察到应力分布。

图 2 混凝土受压位移过程中的应力分布：0.7 毫米 (a)、0.8 毫米 (b) 和 0.9 毫米 (c)

压缩中损伤变量的分布如图 3a 所示。达到最大承载力（约 500 kN）后出现损伤剪切区，见图 3b。在曲线上，图 2a-c 和图 3a 中的三个时刻点均使用红点标记。可以看出，压缩过程中的混凝土在曲线的下降部分失效（混凝土软化过程）。

图3 （a)压缩1mm时刻的压缩损伤分布(b)压缩位移-力曲线

结论

        CDP 模型可用于成功模拟混凝土在压缩过程中的行为。这里最重要的观察结果是，即使模拟相当于准静态，也可以使用 Abaqus/Explicit 求解。由于这种选择，避免了与混凝土软化和求解中出现数值奇点相关的数值问题。最后，在混凝土压缩模拟过程中可以看到预期的失效机制。