混凝土损伤塑性(concrete damaged plasticity)模型的屈服面有问题，软件手册有误

nylon

Abaqus提供的这一强大本构模型的屈服准则在三维应力状态下不准确。关于偏平面中屈服面的示意图清楚地展示了这一问题(Zhang et al., 2010)



左图是Abaqus手册给出的（见Abaqus Analysis User’s Manual, 6.11版中的Figure 22.6.3–8, 和Abaqus Theory Manual, 6.11版中的Figure 4.5.2–4），很多其它文献里也是这样画的。本人近来仔细研习Abaqus与相关理论，发现实际情况应该是像右图那样的；也就是说参数Kc不仅决定着屈服面的开口形状，同时还决定着开口大小（角度）。

       关于这一问题的具体讨论详见我的一篇论文：

Zhang, J., Zhang, Z.X., Chen, C.Y., 2010. Yield criterion in plastic-damage models for concrete. Acta Mechanica Solida Sinica, Volume 23, Issue 3, pp. 220-230.

       屈服准则的这一缺陷直接关系到参数Kc的取值方法；Abaqus的默认值2/3有些随意，是否合适有待探讨。更难办的是，由于这一固有缺陷，在有些情况下无论Kc如何取值都不能得到合适的屈服面。这些问题也在上述论文中初步讨论了。

       均匀约束混凝土（比如圆钢管、FRP圆柱、螺旋箍筋）的应力状态可图示为(Zhang et al., 2010)



可见始终位于压子午面内，开口形状不影响计算。所以Kc应该根据开口角度（可换算为内摩擦角）来标定，而不是对开口形状的随意估计(2/3).

       非均匀约束混凝土（比如矩形钢管、FRP矩形柱、加密矩形箍筋）的应力状态可图示为(Zhang et al., 2010)



一般来说偏离压子午面不远，开口形状对计算有影响，但远不如开口角度重要。所以Kc仍然应该根据开口角度来标定。

       当约束混凝土的应力状态明显偏离压子午面时（比如自密实混凝土由于化学反应而膨胀），开口形状和开口角度无法兼顾。

       希望这个帖子能对分析混凝土结构的Abaqus玩家们有点用，也希望爱好和支持Abaqus的朋友们集思广益，共同探讨损伤模型的问题。

回复5#zsq-w ：

       这一问题在学术界和工程界普遍被忽视。
      
       我是上面贴的 Yield Criterion in Plastic-Damage Models for Concrete 一文的第一作者。    

       关于此类本构模型的主要流派，我以自己的一些认识做点简单介绍：

       Abaqus中的concrete damaged plasticity模型主要依据学术界里的“巴塞罗那模型”(Lubliner, J., Oliver, J., Oller, S., Oñate, E., 1989. A plastic-damage model for concrete. Int. J. Solids Struct. 25, 229–326.) 和“Lee - Fenves 模型”(Lee, J., Fenves, G.L., 1998. Plastic-damage model for cyclic loading of concrete structures. J. Eng. Mech.-ASCE 124, 892–900.). “巴塞罗那模型”对后世影响很大，其中提出的屈服准则一直被很多塑性-损伤模型采用。“Lee - Fenves 模型”在“巴塞罗那模型”的基础上引入拉、压二重强化和损伤，适合循环交变作用下的结构非线性分析。

       我国学者提出的“吴 - 李模型”(Wu, J.Y., Li, J., Faria, R., 2006. An energy release rate-based plastic-damage model for concrete. Int. J. Solids Struct. 43, 583–612.) 成功地融合并实现了塑性自由能势理论与双标量损伤理论，建立起以损伤力学为主体的本构关系；同时沿用了“巴塞罗那模型”和“Lee - Fenves 模型”的屈服准则(损伤准则)和强化变量演化法则。我和我的老师们则从三轴受力的角度对这一类塑性-损伤模型进行了拓展，包括建立适用于三维应力状态的屈服准则、损伤准则和强化变量/损伤变量演化法则；其中已经完成的工作在我的博士论文中有所介绍

张  骥, 2010. 混凝土塑性—损伤本构模型研究. 华中科技大学.

鉴于concrete damaged plasticity模型的广泛使用，论文的讨论仍以塑性理论为主体。另外作为屈服准则的背景，文中还详细讨论了强度理论，并进行了新的分析。希望对感兴趣的朋友们有点用处。

nylon

12# [email=masiwenaij@126]masiwenaij@126[/email]

嗯，传上来与大家讨论。

burn_ice

顶上去大家讨论~ 我们用的最多的就是损伤塑性模型了

rock.li

楼主，可以参考下ls-dyna的混凝土塑性损伤本构模型。
官网www.lstc.com 上有理论手册下载，可以参考下。

nylon

3# rock.li

嗯，dyna也是很有意思的软件，以后再学习下。

zsq-w

“一些论文和教材上也是这样画的”and “发现实际情况应该是像右图那样的”
这个现象是不是说明此领域在学界尚无成熟的认识？

兼听则明，lz可否将“一些论文和教材上也是这样画的”这类里面有代表性的paper也贴一篇来比较下？

另外，不知道lz是否1#文章里面的作者之一？如果是，能不能对这个问题在学界的主流认识及流派做个介绍？

zholv

楼主的帖子不错，先不好论这个图画的有没有问题，楼主可以看看他们文献中有没有一些假设啥的，也就是说KC对屈服面大小的名感性问题，如果他们做过这方面的讨论认为可以忽略不计的话，可以接受，我大概看了一下你的论文里面的，发现影响也不是很大，还有，你有没有对bi-axial的情况，就是kufter的实验结果进行对比，这个估计更能说明问题，三周试验有人做，但是做的精确度还值得商榷。
好长时间不搞这玩意了，又想了一下，发现你说的这个东西是有道理，尤其拉亚子午线不是线性的，所以KC=J2^0.5(拉)/J2^0.5(压)的比值也不是一个常数，因此形状大小也这个参数有关，从几何形状上可以判断出来，最后你引入了个参数来考虑这个DD的影响。
顺便问一句，你是在ABA的UMAT中开发了这个子程序嘛？希望兄弟以后不要加下载权限，让我们潜水的人看不到，虽然这些文献我也有。

nylon

6# zholv
很感谢zholv的提醒。从我的文献阅读来看，还没有见到讨论Kc对屈服面大小的敏感性问题的。我的论文里举得那个试验数据例子恰好是内摩擦角比较高（39度）的混凝土，所以Kc=2/3时Lubliner屈服面的缺陷不明显；当内摩擦角没有这么高时，通过调整Kc可能也能拟合得比较好，但这不是通过对偏平面中屈服面形状的估计能做到的，需要根据子午线来标定参数。也许正因为误差常常不大，所以这一问题一直没有被注意。
Kc不影响双轴应力状态下的结果，我那篇论文里的讨论也暂不涉及双轴应力状态。
UMAT我还没有写，与各位共同努力吧。

fishell1030

偏平面是什么？

Analyst

请教楼主，你的博士论文什么时候发表？

nylon

8# fishell1030

偏平面是（主）应力空间中与三个主应力坐标轴夹角相等的平面，即等倾面。它与屈服面或破坏面的交线常用来分析这些空间曲面的几何特征，主题帖里的图示意的就是这个交线。

土木工程专业的不熟悉这些很正常，推荐阅读陈惠发的教材中译本：《土木工程材料的本构方程》。希望有更多的朋友关心混凝土本构关系

nylon

9# Analyst

谢谢关注，博士论文年底或者明年发表。

关于主题帖里谈的问题，我还有一篇简短的中文会议论文快发表了。

masiwenaij@126

如果方便的话等论文发表了望楼主把论文上传啊。

xiexianyi

太专业了啊，我落后了

yufa

软件手册用了这么多年了，难道有错吗？

mosunlight

损伤的刚刚接触，还在研究中，楼主这么说，那得注意了

nylon

15# yufa
一个长期被忽视的问题

nylon

16# mosunlight
主题帖里讨论的缺陷主要涉及三轴压缩。对于平面应力状态，一般不需要顾虑这一问题。

UCLA

等我仔细研究下

zhuwg

不知道楼主的博士论文已经发表没？
全英文论文？什么时候可以看看全文学习学习？