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  • ISSN 1001-1455  CN 51-1148/O3
  • EI、Scopus、CA、JST收录
  • 力学类中文核心期刊
  • 中国科技核心期刊、CSCD统计源期刊

超高性能混凝土HJC本构模型参数确定及应用

宋帅 杜闯 李艳艳

张庆武, 蒋军成, 喻源, 崔益虎. 基于支持向量机的导管泄爆容器压力峰值预测[J]. 爆炸与冲击, 2014, 34(6): 748-753. doi: 10.11883/1001-1455(2014)06-0748-06
引用本文: 宋帅, 杜闯, 李艳艳. 超高性能混凝土HJC本构模型参数确定及应用[J]. 爆炸与冲击, 2023, 43(5): 053102. doi: 10.11883/bzycj-2022-0343
Zhang Qing-wu, Jiang Jun-cheng, Yu Yuan, Cui Yi-hu. Prediction of peak pressure in the explosion-vented vessel with a venting duct based on support vector machine[J]. Explosion And Shock Waves, 2014, 34(6): 748-753. doi: 10.11883/1001-1455(2014)06-0748-06
Citation: SONG Shuai, DU Chuang, LI Yanyan. Determination and application of the HJC constitutive model parameters for ultra-high performance concrete[J]. Explosion And Shock Waves, 2023, 43(5): 053102. doi: 10.11883/bzycj-2022-0343

超高性能混凝土HJC本构模型参数确定及应用

doi: 10.11883/bzycj-2022-0343
基金项目: 河北省高等学校科学研究项目(ZD2022140);河南省特种防护材料重点实验室基金(SZKFJJ202005)
详细信息
    作者简介:

    宋 帅(1994- ),硕士研究生,s3401920284@163.com

    通讯作者:

    杜 闯(1976- ),博士,讲师,duch_1@sina.com

  • 中图分类号: O382

Determination and application of the HJC constitutive model parameters for ultra-high performance concrete

  • 摘要: 在超高性能混凝土的数值模拟中,合理地确定其本构模型参数是提高计算精度和设计可靠度的基础。基于超高性能混凝土单轴压缩试验、霍普金森压杆试验和已有的三轴围压试验等,确定了超高性能混凝土的Holmquist-Johnson-Cook (HJC)本构模型参数。利用LS_DYNA软件模拟单向板爆炸试验,通过与试验中单向板的损伤程度和最大挠度进行对比,验证了已确定参数的有效性。为了进一步了解超高性能混凝土构件的抗爆机理,采用已确定的参数对单向板爆炸工况进行数值模拟,分析配筋和尺寸变化对爆炸结果的影响。结果表明,在爆炸过程中,提高纵筋配筋率可以减小单向板的跨中最大挠度,适当加密箍筋可以减小单向板侧面的斜裂缝长度。超高性能混凝土单向板具有明显的尺寸效应,其中厚度和长度变化对爆炸结果的影响最突出。
  • 泄爆是工业上广泛使用的气体以及粉尘的爆炸防治手段之一, 其基本特点是通过泄爆口释放含能物质使容器内出现压力异常增加时能快速卸载压力, 保证容器自身的安全运行。当泄爆设备位于室内或者靠近工作区时, 需用泄爆导管将泄爆出来的含能物质排到室外或远离工作区的安全地方[1-2]。研究表明泄爆导管的存在增加了容器内爆炸的剧烈程度[3-6], 因此不能用现有的单容器的设计准则来设计导管泄爆容器。自20世纪80年代始, 对于导管泄爆容器规律开展了一些的实验研究, 在此基础上建立了设计规范NFPA 68[1]和经验公式[7], 但是利用这些经验公式和规范对导管泄爆容器内压力峰值进行预测往往产生较大的误差, 不能满足精度的要求, 因此必须寻求新的更准确的预测方法。

    支持向量机(support vector machines, SVM)在处理高维非线性系统方面有其独特的优越性, 本文中, 应用支持向量机对导管泄爆容器与其可燃物质特性、容器导管几何参数、操作条件之间的内在相关性进行研究, 建立导管泄爆容器的压力峰值理论预测模型, 为导管泄爆容器结构安全性能评价以及设计提供更可靠的依据。

    根据文献[7]的实验数据, 确定导管泄爆容器压力峰值pred(表压)与可燃物质特性、容器导管几何参数、操作条件等有关, 具体体现为8个主要影响因素:可燃气体的种类、气体的体积浓度φ、点火位置、导管长度Lt、导管直径Dt、容器体积V、破膜压力pv、容器初始压力p0。不同的气体对应不同的气体燃爆指数, 因此可利用气体的爆燃指数KG表征气体的种类[1, 8], 实验中的点火位置主要有3种, 即尾部点火、中心点火、泄爆口处点火, 这3种点火位置分别用1、2、3来表征, 其余影响因素的准确数值见文献[7], 导管泄爆容器压力峰值SVM预测模型的所有数据样本如表 1所示。

    表  1  容器带导管泄爆实验数据
    Table  1.  The experimental values for vessel venting by duct
    No.KG/(MPa·m·s-1)φ/%点火位置Lt/mDt/mV/m3pv/kPap0/kPapred/kPa
    110.0410.600.0160.003 66101101145
    210.0410.600.0210.003 66101101117
    310.0410.600.0360.003 6101101127
    410.0411.100.0160.003 66101101180
    510.0411.100.0210.003 66101101145
    610.0411.100.0360.003 66101101192
    710.0412.600.0160.003 66101101192
    810.0412.600.0210.003 66101101155
    910.0412.600.0360.003 66101101192
    1010.0412.600.0530.003 66101101211
    1110.0421.700.0360.003 66101101201
    1210.0421.700.0360.003 66131101216
    1310.0421.700.0360.003 66192101266
    1410.0421.700.0360.003 66331101337
    1510.0411.700.0360.003 66101101176
    1610.0411.700.0360.003 66133101188
    1710.0411.700.0360.003 66184101181
    1810.0431.700.0360.003 66212101127
    1910.0431.700.0360.003 66325101224
    2010.0521.000.844 62.60011110119
    2110.0522.000.844 62.60011110130
    2210.0523.000.844 62.60011110139
    2310.0513.000.844 62.600111101101
    248.45225.000.50010.000111101410
    258.45225.000.50010.000106101280
    268.4524.000.2002.000116101430
    278.45210.000.2002.000116101520
    288.45210.000.3802.000116101215
    298.4521.830.0500.027121101500
    308.4522.350.0500.027126101440
    318.4522.350.0500.027126101350
    328.4522.350.0500.027266101190
    338.4521.830.0500.027243101440
    3414.01820.160.0350.022101101300
    3514.01820.320.0350.022101101482
    3614.01820.540.0350.022101101565
    3714.01820.800.0350.022101101482
    3814.01821.400.0350.022101101513
    3914.01821.750.0350.022101101518
    4014.01822.800.0350.022101101214
    4114.01823.500.0350.022101101464
    4214.01824.910.0350.022101101357
    4314.01826.140.0350.022101101375
    4414.01826.750.0350.022101101339
    4514.01822.500.0250.022101101500
    4614.01822.500.0250.022101101473
    4714.01822.500.0250.022101101420
    4814.01022.500.0250.02010110182
    4914.01222.500.0250.020101101238
    5014.01422.500.0250.020101101291
    5114.01622.500.0250.020101101347
    5214.01822.500.0250.020101101400
    5314.02022.500.0250.020101101430
    5414.02222.500.0250.020101101482
    5514.02522.500.0250.020101101500
    5614.03022.500.0250.02010110182
    5714.02020.040.0250.020101101368
    5814.02020.170.0250.020101101368
    5914.02020.300.0250.020101101671
    6014.02020.610.0250.020101101636
    6114.02021.260.0250.020101101457
    6214.02022.500.0250.020101101400
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    1.2.1经验公式模型

    在以往实验及理论研究的基础上, A.D.Benedetto等[7]依据实验数据通过拟合获得了用于导管泄爆容器压力峰值预测的经验公式:

    (Br)t,ducted(Br)t,unducted(pm)4S0.10V0.4L1.6tD3.7t (1)
    pm=pred/p0(pv/p0)1.5={(Br)2.4t,ductedpm1,(Br)t,ducted1pm6(Br)0.5t,ductedpm>1,(Br)t,ducted<1 (2)
    (Br)t,unducted=0.21Eγu(μχ)unductedBr (3)
    (μχ)unducted=1.75((1+103V#)(1+0.5(Br)0.5)1+πv)0.4π0.61,# (4)
    Br=AvV2/3cS0(E11/γb11/γu) (5)

    式中:pm*为密闭爆炸对应的压力峰值; S0为层流火焰速度; V为容器体积; Lt为导管长度; Dt为导管直径; pred为导管泄爆容器压力峰值; pv为破膜压力; p0为容器初始压力; E为膨胀比; Br为Bradley数; V#为泄爆容器的量纲一体积; πv为量纲一破膜压力; π1, #为量纲一初始压力; Av为泄爆面积; c为声速; γu为未燃气体比热容比; γb为已燃气体比热容比。根据式(3)~(5)可以计算(Br)t, un-ducted, 结合式(1)计算(Br)t, ducted; 将(Br)t, ducted代入式(2), 可以求得pred

    1.2.2支持向量机模型

    V.N.Vapnik提出的支持向量机[9], 是基于统计学原理的新一代机器学习技术, 主要用于分类和回归。基于结构风险最小化原则, 具有处理小样本、非线性、高维等特点及极强推广能力[10], 且预测性能及稳定性优于其他机器学习工具, 例如人工神经网络等[11-12]。支持向量机简单的描述[13-14]如下。

    假设训练样本为{xi, yi}, 其中xiR为输入因素、yiR为输出结果, i=1, 2, …, N。利用一个非线性映射函数将输入因素映射到特征空间φ(x), 回归模型可以表述为:

    y=f(x)=wϕ(x)+b (6)

    根据支持向量机的结构最小化原则, 系数wb可以通过最小化R(C)获得:

    R(C)=C1NNi=1Lε(yi,f(xi))+12w2 (7)
    Lε(yi,f(xi))={0|yif(xi)|<ε|yif(xi)|ε|yif(xi)|ε (8)

    式中为经验误差, 可由敏感损失函数)获得表征函数的平坦程度; C为惩罚因子, 用于平衡回归函数的平坦度和偏差。引入松弛变量ξξ*, 式(7)可以表达为:

    MaxR(w,ξ)=12w2+Cni=1(ξi+ξi)f(xi)wxbε+ξi,wx+bf(xi)ε+ξi,ξi0,ξi0 (9)

    因此, 式(6)可以表达为:

    f(x,αi,αi)=li=1(αiαi)K(x,xi)+b (10)

    式中:K(x, xi)为核函数, 核函数满足K(x, xi)=φ(x)φ(xi)。

    支持向量机算法采用Libsvm软件。支持向量机主要由核函数类型、惩罚因子C以及不敏感损失函数中ε等几个参数决定。现有4种常用的核函数分别为:线性核函数、多项式核函数、Sigmoid核函数、径向基核函数(RBF)。其中径向基核函数应用最广泛, 且只含有一个参数, 便于参数优化[14-15], 所以本文中选用径向基核函数:K(x, xi)=exp(-‖x-xi2/γ2)。对于径向基核函数, 最重要的参数是核函数的宽度γ。核函数的宽度γ与惩罚因子Cε同时决定了支持向量机的泛化能力及预测性能。由于这几个参数之间有较大的相关性, 因此采用格点搜索方法寻找预测模型的最优参数组合[16]

    随机抽取表 1中10组数据为模型的预测集(见表 2), 用于检验模型的预测性能。其余52组数据作为训练集, 用于建立SVM模型, 将各影响因素作为建立SVM模型的输入, 对应的pred作为模型的输出, 通过格点搜索方法确定SVM模型的最优参数为:C=16.0, ε=1.5, γ=0.29。以上最优参数作为支持向量机的输入参数建立相应的预测模型, 并应用建立的模型对预测集样本的泄爆压力峰值进行预测。利用SVM模型及经验公式, 对导管泄爆容器内压力峰值进行预测, 结果与实验值的对比见图 1

    图  1  导管泄爆容器压力峰值
    Figure  1.  Peak pressures in vessel vented by duct
    表  2  泄爆压力峰值的SVM检验样本参数
    Table  2.  Prediction samples for vessel vented through duct
    No.KG/
    (MPa·m·s-1)
    φ/%点火位置Lt/mDt/mV/m3pv/kPap0/kPapred/kPa
    110.0410.600.0360.003 6101101127
    210.0412.600.0360.003 66101101192
    310.0523.000.844 62.60011110139
    414.01821.400.0350.022101101513
    514.01422.500.0250.020101101291
    614.01826.750.0350.022101101339
    710.0421.700.0360.003 66192101266
    814.01822.500.0250.022101101420
    910.0411.100.0210.003 66101101145
    1014.01822.500.0250.022101101473
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    表 3给出了SVM模型预测值和经验公式的计算值及误差。SVM模型的最大绝对误差绝对值为62.2kPa, 最大相对误差为22.52%, 而经验公式的分别为654kPa和273.10%。SVM模型的相关系数R2=0.979 6, 标准误差δsd=26.3kPa, 均方根误差δrms=27.8kPa, 平均相对误差εar=8.21%, 而文献中的经验公式的R2=0.42, δsd=271.6kPa, δrms=286.3kPa, εar=92.49%。由此可知, SVM预测结果与实验值更接近, 误差更小, 总体上具有较高的精度, 因此SVM预测模型对于导管泄爆容器内的压力峰值具有较好的预测性能, 且预测性能优于经验公式, 并且利用支持向量机预测模型考虑了不同点火位置的影响, 而经验公式无法考虑点火位置的影响。

    表  3  泄爆压力峰值预测值与检验样本值的对比
    Table  3.  Predicted values of peak pressure in vessel vented by duct
    No.pred/kPa经验公式支持向量机
    p/kPaΔp/kPaε/%p/kPaΔp/kPaε/%
    1127278151118.90155.628.622.52
    2192410218113.54187.7-4.32.24
    33931.5-7.519.2345.56.516.67
    4513450-6312.28450.8-62.212.13
    529148018964.95295.04.01.37
    633953419557.52333.5-5.51.62
    7266920654245.86285.519.57.33
    8420440204.76435.715.73.74
    9145541396273.10154.59.56.55
    104735437014.80435.3-37.77.97
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    总结了影响容器内压力峰值的因素, 将其分为3类即可燃物质特性、容器导管几何参数、操作条件, 包含8个影响因素, 分别为可燃气体的种类、气体的体积浓度、点火位置、导管长度、导管直径、容器体积、破膜压力、容器初始压力。将这些因素作为输入变量, 应用支持向量机对容器内压力峰值进行了研究, 建立了导管泄爆容器压力峰值预测模型, 此模型包含了影响导管泄爆容器压力峰值的所有主要因素, 弥补了经验公式不能包含所有影响因素的不足。同时, 对模型的有效性及预测能力进行了验证, 发现所建立模型具有较好的预测能力, 可以用于导管泄爆容器内的压力峰值的预测, 且预测能力优于经验公式。本模型为导管泄爆容器结构安全性能评价以及设计提供一种新的更可靠的方法。

  • 图  1  静态失效强度与静水压力之间的关系

    Figure  1.  Relationship between static failure strength and hydrostatic pressure

    图  2  不同应变率下的等效应力与静水压力之间的关系

    Figure  2.  Relationship between the effective-stress and hydrostatic pressure under different strain rates

    图  3  UHPC单轴抗压强度与应变率之间的关系

    Figure  3.  Relationship between uniaxial compressive strength and strain rate of UHPC

    图  4  HJC本构模型状态方程

    Figure  4.  HJC constitutive model equation of states

    图  5  试验工况

    Figure  5.  Test layout

    图  6  有限元模型

    Figure  6.  Finite element model

    图  7  不同材料参数下的塑性损伤模拟效果对比

    Figure  7.  Comparison of simulation effects of plastic damage under different material parameters

    图  8  不同材料参数下跨中挠度的时程曲线

    Figure  8.  Time history curves of mid-span deflection under different material parameters

    图  9  1/2模型的钢筋塑性应变和等效应力分布

    Figure  9.  Distributions of plastic strain and equivalent stress of reinforcement in the 1/2 model

    图  10  不同箍筋间距下跨中最大挠度与配筋率的关系

    Figure  10.  Relationship between mid-span maximum deflection and reinforcement ratio under different stirrup spacings

    图  11  不同配筋率下斜裂缝长度与箍筋间距的关系

    Figure  11.  Relationship between oblique crack length and stirrup spacing under different reinforcement ratios

    图  12  单向板的尺寸效应

    Figure  12.  Dimension effects of the one-way slab

    表  1  不同应变率下的UHPC力学参数

    Table  1.   UHPC mechanical parameters under different strain rates

    应变率/s−1抗压强度/MPa¯σ¯p
    10−4105.01.000 00.333 3
    10−2113.31.079 00.359 7
    50134.61.281 90.427 3
    102164.71.568 60.522 9
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    表  2  超高性能混凝土HJC模型参数

    Table  2.   HJC model parametrs of UHPC

    ABNCT/MPaSfmaxεefminD1D2fs˙ε0/s−1
    0.232 81.744 30.705 10.003 67.127.00.018 10.041.00.17251
    pc/MPapl/MPaμcμlK1/GPaK2/GPaK3/GPaσc/MPaG/GPaρ/(g·cm−3)
    35.0235.00.00110.038346.4−195.0416.6105.020.372.67
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    表  3  钢筋本构模型参数

    Table  3.   Parameters of reinforcement constitutive models

    材料密度/(g·cm−3)弹性模量/GPa泊松比屈服应力/MPa切线模量/GPa失效应变
    受拉钢筋7.852000.255241.610.10
    箍筋7.852000.254231.910.08
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    表  4  修正前的原始参数

    Table  4.   Original parameters before correction

    ABNCT/MPaSfmaxεefminD1D2fs˙ε0/s−1
    0.761.60.610.0077.127.00.010.041.01
    pc/MPapl/MPaμcμlK1/GPaK2/GPaK3/GPaσc/MPaG/GPaρ/(g·cm−3)
    16.0800.00.0010.185.0−171.0208.0105.020.372.67
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    表  5  单向板各方向尺寸变化

    Table  5.   Dimension change of one-way plate in each direction

    长度/mm宽度/mm厚度/mm
    1 200400120
    1 500500180
    1 800600240
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-08-08
  • 修回日期:  2022-11-10
  • 网络出版日期:  2022-11-18
  • 刊出日期:  2023-05-05

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