1.1 引言
混凝土是一种很普遍的建筑材料。它是用水泥作为胶凝材料，砂、石作为骨料，与水等其他一些原料按照一定比例搅拌而成的非均质脆性材料。混凝土因施工方便、易成型、强度高、耐久性好等优异性能使其自从产生之后便广泛应用于民用、工业建筑、公路桥梁、海港码头以及防护工程等领域。然而混凝土是由多种物质组成的复合材料。它内部含有很多微裂纹、微空洞等缺陷。在力作用下微裂纹便生长发展、连接贯通，生成宏观裂缝造成结构损伤破坏。混凝土材料自身的缺陷使其抗拉强度、抗折强度和抗侵彻能力较差。混凝土材料的应用范围越来越广，在桥梁、机场跑道和防护工程等领域的混凝土结构受到撞击、冲击侵彻、爆炸等高应变率荷载的威胁。混凝土结构在这些高应变率荷载条件下的破坏非常严重并且过程极其短，同时也会带来惨重的人员伤亡和经济损失，比如 2001 年恐怖组织在美国纽约策划的 911 飞机撞击爆炸事件；2007年佛山市九江大桥被过往船只撞到桥墩导致坍塌的 615 事件等。因此，许多国内外学者致力于探索研究如何提高混凝土材料承受冲击、爆炸等高应变率荷载的作用。钢纤维混凝土的出现吸引了更多学者关注并对其进行深入研究。钢纤维混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete）以素混凝土为基体、钢纤维为加强材料所产生的一类新型复合材料。钢纤维混凝土材料的强度、韧度等力学指标得到了很大改善。随机分布的钢纤维对混凝土材料具有显著的增强和阻裂效应，在一定程度上可以延缓基体自身微裂纹的生长和微空洞的塌陷，使钢纤维混凝土结构具备良好的断裂性能与抗冲击能力。钢纤维混凝土产生于二十世纪初期。早在 1907 年，苏联学者已经在混凝土中掺加纤维材料来增加强度。1910 年，H.F.Porter[1]在混凝土材料中加入一些钢纤维并对其强度进行试验研究。1911 年，Graham 把钢纤维掺加在钢筋混凝土中，发现混凝土的强度有了很大的提高[2]。到二十世纪中期，英、法等一些发达国家对钢纤维混凝土材料的制作技术、阻裂性及钢纤维和基体材料的黏结性进行了研究。
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1.2 钢纤维混凝土材料动态力学特征研究进展
混凝土动态力学特征是指混凝土结构在撞击、炮弹爆炸等动荷载条件下所表现出来的变形特性。对于混凝土在动态荷载下所表现的变化规律，早期美国使用应变率进行描述，欧洲则使用应力率。现在国际上使用应变率进行描述。混凝土在动态荷载条件下力学性能的研究可追溯到上世纪二十年代，D.A.Abrams[3]进行了混凝土压缩试验研究，并分析了不同应变率下混凝土压缩强度的变化特点。随后更多的学者进行了这方面的研究。美国学者 Ross 和 Tedesco[4-5]利用SHPB 对混凝土的应变率效应、开裂性能、本构模型进行了研究。日本学者竹田仁一研究了混凝土结构的拉伸试验，在瞬间加载情况下发现混凝土的拉伸强度随着应变率的增加有很大程度提高。Malvern 等[6]利用 SHPB 设备分别对混凝土和钢纤维混凝土进行了冲击试验。钢纤维掺入在基体材料中可以明显增加结构的力学特性。比利时学者对钢纤维混凝土在冲击爆炸条件下的破坏过程进行了研究，试验结果表明钢纤维混凝土比素混凝土具备更显著的抗冲击效果，且板背面裂纹较少、无剥落现象出现。美国空军武器实验室研究了钢纤维混凝土结构的抗冲击性能，并得出结论掺入钢纤维的混凝土抵抗冲击效果很大程度上高于素混凝土。M.Polanco-Loria 和 T.Berstad 等[7]使用有限元软件 ANSYS/LS-DYNA 建立一个二维对称单元模型来模拟了子弹冲击混凝土板，分析结果和实验结果相比误差较小。Jo?ko O?bolt 和 Akanshu Sharma[8]对混凝土试样的动态断裂进行了数值模拟，发现混凝土材料裂纹扩展的方向与位移速率有很大关系。Agardh和 Laine[9]借助有限元软件 LS-DYNA 模拟了弹体冲击钢筋混凝土的动态破坏问题，并得到了弹体残余速度。Tham[10]利用 AUTODYN2D 软件分别采用拉格朗日法、欧拉-拉格朗日耦合法和 SPH 三种方法研究了弹丸冲击混凝土靶板问题，获到了子弹的最大侵彻深度和残余应力-时间的关系曲线。
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2 钢纤维混凝土材料力学特征和本构模型研究
长久以来，混凝土作为高强、耐久和经济的工程材料得到普遍应用。混凝土具备很好的抗压强度。然而它的抗拉、抗剪、抗折等强度比较差，材料呈现脆性。当混凝土承受荷载较大时这种脆性现象特别显著。混凝土材料内部存在原始微裂纹、微空洞等缺陷，制作混凝土时加入适量的钢纤维可以有效地延缓微裂纹的生长扩展和微空洞的塌陷，提高混凝土力学特征。表2.1为C30级钢纤维混凝土和素混凝土主要力学特征对比结果：
2.1 混凝土结构破坏机理分析
混凝土结构的破坏与其自身原始裂纹生长、微空洞塌陷紧密相关。混凝土结构在承受荷载过程中微裂纹开始慢慢扩展，达到一定程度后微裂纹之间连接贯通形成宏观裂缝，直到结构断裂破坏失去承载能力。研究发现混凝土结构的破坏过程可以划分四个阶段，如图2.1所示：（1）微裂纹预存阶段（OA段所示）：混凝土是由水泥、砂、石子、水等多种物质混合而成的复合材料。在其制作成型过程中，由于操作工艺、水泥砂浆硬化时的收缩以及养护阶段的水分蒸发等原因，导致混凝土内部出现大量的微裂纹。混凝土结构在不承受荷载或荷载较小情况时，这些微裂纹是稳定的，不会生长扩展。此阶段混凝土呈现线弹性特征。(2）微裂纹开裂阶段（AB段所示）：结构受到的外力为材料强度的40%-50%时，混凝土内部便出现应力集中现象，导致微裂纹生长扩展。由于荷载较小，不会引起新裂纹的出现。在此过程中，混凝土材料应力和应变的曲线可近似为线性。（3）微裂纹稳定扩展阶段（BC段所示）：混凝土结构内的微裂纹被激活后，继续对其进行加载。应力强度达到材料强度的70%-80%时，微裂纹就会不断扩散连接进入稳定扩展阶段，最终形成新的裂纹。此时，混凝土结构仍能够继续承受荷载。然而应力和应变的关系曲线不再是线性。混凝土达到了应变硬化阶段。（4）微裂纹不稳定扩展阶段（CD段所示）：混凝土构件受到的外力超过材料所能承受的极限值时，裂纹进入不稳定扩展阶段。此时初始微裂纹迅速扩展连通形成宏观裂缝。混凝土进入了应变软化阶段。该过程结构内部出现损伤破坏，不能再承载荷载。
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2.2 力在钢纤维混凝土材料中的作用机理
钢纤维混凝土结构在承受荷载时力首先传递给基体材料，此时钢纤维上并没有力的出现。钢纤维和基体材料间的界面有传递荷载的功能。随着力作用时间增加，并借助界面转移给钢纤维，此时钢纤维开始承受力的作用。钢纤维末端的应力分布情况直接关系到钢纤维混凝土结构的力学特征。如果钢纤维的长度超过界面区长度时，不需要考虑钢纤维末端的应力分布。混凝土构件的设计以发挥混凝土材料的抗压强度为出发点，拉应力由钢筋来分担，但混凝土材料的脆性并没有明显变化。把适量的钢纤维加入到混凝土中，使其充分均匀分布混凝土基体中，制成均质的复合材料来提高混凝土的强度、韧性等力学性能。
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3 冲击荷载下钢纤维混凝土结构有限元分析方法..........30
3.1 ABAQUS/Explicit 分析模块概述.............30
3.2 非线性动力分析的积分方法.......... 31
3.3 有限元方法实施.......... 33
3.4 VUMAT 子程序验证.............40
3.4.1 算例 1.....40
3.4.2 算例 2.....43
3.5 本章小结............ 45
4 钢纤维混凝土构件抗侵彻性能数值模拟研究....46
4.1 引言.......... 46
4.2 弹丸侵彻钢纤维混凝土板的有限元模拟.......... 47
4.2.1 材料模型和参数的选择......47
4.2.2 材料有限元模型建立..........48
4.3 数值模拟计算结果分析........ 50
4.4 本章小结............ 60
5 结论与展望...........61
5.1 结论.......... 61
5.2 主要创新点........ 62
5.3 展望.......... 62
4 钢纤维混凝土构件抗侵彻性能数值模拟研究
4.1 引言
钢纤维混凝土材料具备较高强度和抗侵彻性能，在民用建筑、国防建设等方面拥有很好的应用前景。目前钢纤维混凝土在高速冲击、爆炸等荷载条件下的破坏是国内外学者探讨的重点问题。弹丸高速冲击钢纤维混凝土板是一种损伤破坏极其严重的非线性问题。弹丸贯穿钢纤维混凝土板后板上会产生一个圆柱状的弹坑。与弹坑相邻的部位承受弹性、塑性以及脆性的复杂变形破坏。弹丸在钢纤维混凝土中继续侵入，弹坑附近的介质被挤向四周。与弹丸外表面接触的部位在弹丸和钢纤维混凝土的摩擦作用下形成一个粉碎区。粉碎区外一定范围内的材料在较大的压剪变形作用下会生成许多微裂纹，在后面的过程中这些微裂纹就会连接贯通，形成宏观裂缝，我们把此范围称为断裂区。实际上粉碎区和断裂区并没有明确的界限。但是与断裂区相比，粉碎区的破坏更为严重。一般情况下可以把粉碎区和断裂区统一称为碎裂区。混凝土板的强度、弹丸的侵彻初速度、混凝土板中钢纤维的体积分数直接影响着碎裂区的范围大小和破坏程度。碎裂区随着弹丸初始速度的增加其区域范围将变大，破坏也越剧烈。在靶板强度与钢纤维含量较高的情况下其破坏范围较小。与碎裂区相毗邻的区域称为塑性区，钢纤维混凝土在荷载作用下承受的力大于弹性极限值时就会产生塑性变形，出现塑性区。和碎裂区的不同之处在于塑性区产生的微裂纹较少，并且微裂纹没有扩展成宏观裂缝。塑性区的外侧称为弹性区。这个区域
