This paper proposes a numerically-based methodology to implicitly model irreversible deformations in concrete through a damage model. Plasticity theory is not explicitly employed, although resemblances are still present. A scalar isotropic damage model is adopted and the damage variable is split in two: one contributing for stiffness degradation (cracking) and other contributing for irreversible deformations (plasticity). The proposed methodology is thermodynamically consistent as it consists in a damage model rewritten in different terms. Its Finite Element coding is presented, indicating that minor changes are necessary. It is also demonstrated that nonlinear algorithms are unnecessary to model concrete cracking and plasticity. Experimental data from direct tension and four-point bending tests under cyclic loading are compared to the proposed methodology. A numerical case study of a low-cycle fatigue is also presented. It can be concluded that the model is simple, feasible and capable to capture the essentials concerning cracking and plasticity.
This study focuses the mechanical deformation response predicted by the plasticity model for polycrystalline ice. To describe various deformation characteristics, ice is idealized as a perfectly plastic material using an asymptotic exponential failure criterion. This criterion is suite for describing materials which exhibit brittle deformation at low hydrostatic pressure and ductile deformation at high hydrostatic pressure. The results are compared to those of continuum damage mechanics model. Plasticity model shows good agreement with damage model and experimental results for high confining pressures even at high strain-rates which is usually considered as a brittle condition under uniaxial compression.
This study focuses the mechanical deformation response predicted by the plasticity model for polycrystalline ice. To describe various deformation characteristics, ice is idealized as a perfectly plastic material using an asymptotic exponential failure criterion. This criterion is suite for describing materials which exhibit brittle deformation at low hydrostatic pressure and ductile deformation at high hydrostatic pressure. The results are compared to those of continuum damage mechanics model. Plasticity model shows good agreement with damage model and experimental results for high confining pressures even at high strain-rates which is usually considered as a brittle condition under uniaxial compression.
Gradient enhanced theories of crystal plasticity enjoy great research interest. The focus of this work is on thermodynamically consistent modeling of grain size dependent hardening effects. In this contribution, we develop a model framework for damage coupled to gradient enhanced crystal thermoplasticity. The damage initiation is directly linked to the accumulated plastic slip. The theoretical setting is that of finite strains. Numerical results on single-crystalline metal showing the development of damage conclude the paper.
In this paper a body-centered cubic(BCC) crystal plasticity model based on microscopic dislocation mechanism is introduced and numerically implemented. The model is coupled with irradiation effect via tracking dislocation loop evolution on each slip system. On the basis of the model, uniaxial tensile tests of unirradiated and irradiated RPV steel(take Chinese A508-3 as an example) at different temperatures are simulated, and the simulation results agree well with the experimental results. Furthermore, crystal plasticity damage is introduced into the model. Then the damage behavior before and after irradiation is studied using the model. The results indicate that the model is an effective tool to study the effect of irradiation and temperature on the mechanical properties and damage behavior.
In order to predict necking behaviour of aluminium sheets, a crystal plasticity model is introduced in the finite element analysis of tensile test. Due to the computational limits of time and memory, only a small part of tensile specimen is subjected to the analysis. Grains having different orientations are subjected to numerical tensile tests and each grain is discretized by many elements. In order to predict the sudden drop of load carrying capacity after necking, a well-known Cockcroft-Latham damage model is introduced. The mismatch of grain orientation causes stress concentration at several points and damage is evolved at these points. This phenomenon is similar to void nucleation. In the same way, void growth and void coalescence behaviours are well predicted in the analysis. For the comparison of prediction capability of necking, same model is subjected to finite element analysis using uniform material properties of polycrystal with and without damage. As a result, it is shown that the crystal plasticity model can be used in prediction of necking and fracture behavior of materials accurately.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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제2권2호
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pp.123-136
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2008
A new plastic-damage constitutive model applicable to lightweight concrete (LWC) and normal weight concrete (NWC) is proposed in this paper based on both continuum damage mechanics and plasticity theories. Two damage variables are used to represent tensile and compressive damage independently. The effective stress is computed in the Drucker-Prager multi-surface plasticity framework. The stress is then computed by multiplication of the damaged part and the effective part. The proposed model is coded as a user material subroutine and incorporated in a finite element analysis software. The constitutive integration algorithm is implemented by adopting the operator split involving elastic predictor, plastic corrector and damage corrector. The numerical study shows that the algorithm is efficient and robust in the finite element analysis. Experimental investigation is conducted to verify the proposed model involving both static and dynamic tests. The very good agreement between the numerical results and experimental results demonstrates the capability of the proposed model to capture the behaviors of LWC and NWC structures for static and impact loading.
To describe the effect of the numerous and various oriented microcracks on the compressive and tensile concrete behaviors, the directional nonlocality is defined. The plasticity model using multiple failure criteria is developed for RC planar members in tension-compression. The crack damages are defined in the pre-determined reference orientations, and then the total crack damage is calculated by integrating multi-oriented crack damages. To describe the effect of directional nonlocality on the anisotropic tensile damage, based on the existing test results, the nonlocal damage factor is defined in each reference orientation. The reduced compressive strength in the cracked concrete is defined by the multi-oriented crack damages defined as excluding the tensile normal plastic strain from the compressive equivalent plastic strain. The proposed model is implemented to finite element analysis, and it is verified by comparisons with various existing panel test results.
Tunnels offer myriad benefits for modern countries, and understanding their behavior under loads is critical. This paper analyzes and evaluates the damage to buried horseshoe tunnels under soil pressure and traffic loading. To achieve this, a numerical model of this type of tunnel is first created using ABAQUS software. Then, fracture mechanics theory is applied to investigate the fracture and damage of the horseshoe tunnel. The numerical analysis is based on the damage plasticity model of concrete, which describes the inelastic behavior of concrete in tension and compression. In addition, the reinforcing steel is modeled using the bilinear plasticity model. Damage contours, stress contours, and maximum displacements illustrate how and where traffic loading alters the response of the horseshoe tunnel. Based on the results, the fracture mechanism proceeded as follows: initially, damage started at the center of the tunnel bottom, followed by the formation of damage and micro-cracks at the corners of the tunnel. Eventually, the damage reached the top of the concrete arch with increasing loading. Therefore, in the design of this tunnel, these critical areas should be reinforced more to prevent cracking.
콘크리트의 인장균열에 따른 방향적 비국소 손상이라는 특징은 인장-압축을 받는 철근콘크리트 전단 부재에서 회전인장균열 특성 및 압축강도 감소 현상을 일으킨다. 본 연구에서는 인장과 압축거동에 대하여 다른 손상 모델을 사용하는 기존의 방법과는 달리, 동일한 인장균열 손상 모델을 사용하여, 인장균열거동과 압축연화거동을 나타낸다. 이러한 비국소 균열 손상의 영향을 나타낼 수 있는 소성모델을 개발하기 위하여 미소면 모델의 개념을 도입한다. 기존의 소성모델과 달리, 비국소 균열 손상을 나타내기 위하여 인장과 압축의 소성파괴면은 각 미소면에서 정의하며, 각 미소파괴면의 조합에 의하여 대표파괴면을 정의한다. 이때, 방향적 비국소 균열 손상을 나타내는 소성인장변형률의 영향에 의하여 각 미소면의 인장과 압축 소성변형률의 크기가 결정된다. 본 연구에서 개발된 소성모델은 유한요소해석에 적용되며, 다양한 전단패널의 기존 실험 결과들과 비교하여 제안된 재료 모델의 유효성을 검증한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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