考虑软化和扩容的圆形巷道围岩Z-P准则弹塑性解

巷道围岩受应力作用表现出的软化、扩容行为对巷道的变形和破环有重大影响。为了研究软化、扩容特性对巷道围岩稳定性的影响,根据岩体的软化特性,建立理想的弹性软化模型,将围岩分为弹性区、塑性软化区和破裂区;基于Zienkiewicz-Pande准则和非关联流动法则,考虑围岩的软化、扩容特性,推导出含中间主应力的圆形巷道弹塑性解析解;将Z-P准则与M-C、D-P等准则进行比较,分析了软化模量、扩容等因素对巷道围岩的影响。结果表明:Z-P准则可良好地适用于发生软化、扩容的巷道;中间主应力系数为0.4时,围岩塑性区范围最小,围岩位移最小,塑性区内应力最大;软化模量越大,围岩破裂区半径越大;剪胀角越大,塑性区位移越大,破裂区半径越大;支护阻力越大,巷道塑性区范围越小,且提高支护阻力能有效控制巷道围岩的变形。

夹心杆系统中一维弹塑性波演化精细分析(Ⅰ):典型加载波的透反射

准确地剖析反射波与透射波的形成过程与影响机理是SHPB(split Hopkinson pressure bar)精细化试验设计与精准数据处理的核心前提之一。针对夹心杆系统,分析矩形、梯形与半正弦三种典型入射波加载阶段系统中一维弹塑性波的传播与演化,定量研究试件中弹塑性波的传播、两个界面上弹塑性的透反射及其系列透反射波的相互作用影响。结果表明:首先,弹塑性波特别是应力波在弹塑性交界面上的透反射中占主要地位,纯弹性波的透反射与传播反而影响较小;其次,当入射波加载区间有一定的宽度时,杆2中弹性波在两个界面上的多次透反射对反射波造成衰减的同时对透射波进一步强化,这种衰减使得半正弦波对应的反射波峰值并不是在0.5个无量纲时间时,而是有所提前;第三,与传统SHPB分析中弹性波在界面上透反射的初步规律不同,无论是矩形波、梯形波还是半正弦波入射时,试件材料的杨氏模量与密度改变虽然明显影响其弹性波的阻抗比,但对透反射波波形及其峰值强度影响并不明显。研究结果可为SHPB的精细化设计与数据的精准分析提供科学依据。

多冷媒非均质人工冻结壁弹塑性应力分析

【目的】受制冷媒介温度差异以及被冻地层与冻结管距离差异的影响,多冷媒联合双排管冻结壁的非均匀性较为显著,为了合理评价该类冻结壁的安全性,需开展考虑非均质性的多冷媒人工冻结壁弹塑性应力分析。【方法】选取距离1/4管距处的冻结壁作为特征截面,将该截面上的温度分布曲线等效成三段一次函数形式,并将冻结壁视为随温度成线性变化的非均质材料,分别基于4种冻土屈服准则,推导得出多冷媒联合双排管非均质冻结壁弹塑性应力解析表达式。基于该解析表达式,对多冷媒冻结壁的受力特性进行计算,并将该计算结果与均质冻结壁计算得出的结果进行对比。【结果和结论】研究发现:(1)在盐水-二氧化碳联合双排管冻结壁中,径向应力随着相对半径r的增加而上升,环向应力在不同冻结区间(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)表现出不同的变化趋势。(2)基于均质冻结壁计算理论,弹性极限状态的冻结壁的环向应力最大值出现在冻结壁内侧,弹塑性状态的冻结壁的环向应力最大值出现在弹塑性分界面处,塑性极限状态的冻结壁的环向应力最大值出现在冻结壁最外侧;而基于非均质冻结壁计算理论,冻结壁环向应力最大值始终出现在冻结壁分区界线(r=2)处。(3)在考虑非均质特性后,冻结壁的弹性极限承载力降低1.8%,而塑性极限承载力提高8.1%。在弹塑性状态下,对应相同塑性区相对半径,非均质冻结壁具有更高的承载力,且这种现象随着塑性区相对半径的增大而愈发明显。研究成果对富水地层多冷媒联合冻结帷幕的设计具有重要的参考价值。

三维弹塑性问题的比例边界有限元法

为了研究三维复杂结构的非线性硬化问题,在考虑关联流动准则的Von Mises塑性屈服准则和各向同性/随动硬化准则的本构模型中,引入一致切线模量,并基于比例边界有限元方法和平衡八叉树算法对本构模型进行求解。采用Newton-Raphson迭代法求解位移和应力的非线性方程,为了减少计算量,仅在比例中心点执行并储存迭代过程的变量,同时采用Fortran语言编制了求解程序。两个算例计算结果表明,该模型的计算结果具有较高的准确性。

考虑组构演化的砂砾土弹塑性本构模型

考虑组构演化效应对于真实、准确地描述无黏性土在循环加载过程中的宏观力学行为具有重要意义。在砂砾土单调加载条件下构建的非线性剪胀方程的基础上,引入反映其循环荷载条件下剪胀阶段组构演化的剪胀内变量,基于广义塑性理论框架建立了反映砂砾土静力及液化全过程力学特性的弹塑性本构模型。对比考虑组构演化效应前后砂砾土液化变形、应力路径和超孔隙水压力发展规律,说明了组构演化效应对于模拟砂砾土液化响应的重要影响。通过开展一系列砂砾土静、动力大型三轴试验并结合相关文献试验结果对模型性能进行了验证。结果表明该模型总体上能够合理反映砂砾土在静力排水条件下应力-应变-体变特性以及在液化过程中超孔隙水压力的累积与消散、应力路径演化和液化变形发展情况,可为砂砾土工程数值模拟提供有力的本构工具。

基于弹塑性井周的井筒-射孔地层破裂压力预测模型

深部“高地应力、高温度、高地层压力”的赋存条件,使储层呈现脆性-延性-应变硬化的塑性特征。针对深部塑性储层的水力压裂改造,存在人工裂缝起裂、延伸压力高的挑战。本文通过开展实时高温高围压的储层岩石三轴压缩实验,明确了储层岩石的塑性破坏特征。建立了深部储层岩石的塑性硬化本构模型,推导了井周的弹塑性应力场分布。结合断裂力学理论,建立了考虑井周塑性区的射孔尖端应力强度因子计算模型,并提出相应的迭代求解方法。采用模型预测室内实验与新疆某油田实际条件下的水力压裂裂缝起裂压力,模型预测结果与实测结果对比表明,考虑弹塑性井周应力场的破裂压力预测值比实际压裂预测值高,储层塑性特征不利于水力裂缝的起裂。模型预测值与油田实测结果的误差为6.6%,验证了模型的可靠性。考虑弹塑性井周的破裂压力预测模型可保证压裂设计的安全性,为深部储层的压裂方案设计提供有效指导。

“三全育人”理念下弹塑性力学课程思政教学实践

文章以土木水利专业学位硕士研究生培养为研究目标,确定爱国主义、科学思维和工程素养三大思政元素,将工程案例、大国工程和科学家事迹融入课程知识结构,构建弹塑性力学课程思政教学体系。教学实践表明,通过思政点和知识点的有机融合,学生学习积极性得到提高,专业认同感加强,愿意努力运用自己的专业知识,投身到祖国的建设事业中。

雷电冲击下土体应力及弹塑性界面时程分析

雷电作为自然界一种极端天气的表现形式,常给地基、地面、高耸建筑等造成严重破坏。工程防雷措施依赖于土体雷电冲击特性。现阶段,研究人员大多从电气工程角度探究雷电冲击土体造成的危害,但因学科间的差异与局限,雷电作用下岩土工程与电气工程的交叉融合方面的研究十分欠缺。本文构建土体雷电冲击模型,基于电弧通道能量平衡方程计算雷电放电产生的冲击波压力,将冲击波压力作为外加荷载作用在土体中,并通过修正Mohr-Coulomb屈服准则考虑动荷载下土体应变硬化,利用土体的理想锁定状态方程(Idealized Locked Equation of State)和动态扩孔方法考虑冲击波非稳态加载,探究雷电冲击下土体的弹塑性界面及应力时程变化规律。研究表明:在雷电冲击下,土体应力随时间变化呈现先陡增后迅速衰减的趋势,应力突变点表明土体此时正处于弹塑性交界面;在应力突变点之前,土体附加应力趋于0,处于弹性状态。任一时刻下,随着逐渐远离雷电冲击点,土体应力呈现迅速衰减的趋势,应力发生突变骤降表明此处土体正处于弹塑性交界面;在突变点之后土体附加应力趋于0,处于弹性状态。土体压缩系数对土体的弹塑性界面变化具有显著影响,随着压缩指标增大,土体塑性区半径逐渐减小;随着土体黏聚力逐渐增大,土体塑性区半径逐渐减小;增大土体弹性模量可以增大土体塑性区半径,但变化幅度相对较小;电流波形对土体塑性区中的应力会产生较大影响,而对土体弹性区影响较小。

考虑嵌固段桩前土体弹塑性变形的锚索微型桩群计算模型研究

锚索微型桩群在中小型边坡治理及边坡紧急抢险工程中的应用越来越广泛,但现有的计算模型对嵌固段桩前土体塑性变形及桩侧土体受力变形连续性考虑较少。针对这一问题,首先根据锚索微型桩群加固土质边坡的特点,以潜在滑裂面位置为分界线,将微型桩群分为受荷段与嵌固段进行分析。对于受荷段,将桩间土简化为水平土弹簧,有效考虑桩间土力的传递作用;对于嵌固段,采用理想弹塑性p-y曲线分析桩-土相互作用。其次,将冠梁处预应力锚索简化为弹性支座,将其作用力转移至后排桩桩顶,再由桩顶冠梁重分配至各排桩桩顶处,从而达到对桩顶位移的约束作用。最后,以帕斯捷尔纳克(Pasternak)双参数地基梁法为基础,建立考虑嵌固段桩前土体弹塑性变形及桩侧土体受力变形连续性的锚索微型桩群有限差分计算模型,并迭代求解得到该结构的水平位移与内力。利用该计算模型分别对微型桩群与锚索微型桩群加固土质边坡进行算例计算,与试验、数值模拟结果对比分析,验证该模型的合理性,并探讨土体剪切刚度、锚索束及桩径对该锚索微型桩群水平位移与内力的影响。研究表明:嵌固段桩前土体塑性变形及桩侧土体受力变形连续性对微型桩的水平位移与内力有较大影响;随着锚索束的增加,桩身最大正弯矩及水平位移均不断减小,可通过增设锚索束达到控制桩身变形与内力的目的。

铁路空心高墩弹塑性地震反应特征

以某铁路高墩大跨简支梁桥的矩形空心截面桥墩为研究对象,构建了4种墩高的计算模型。考虑了纵筋、分段配筋、加强筋截断位置及加强筋设置数量等因素,采用OpenSees软件建立单墩计算模型进行了增量动力分析,总结了铁路高墩弹塑性地震反应特征,对抗震设计提出了建议。结果表明:纵筋配筋率在0.63%~0.89%条件下,当墩高小于42.0 m且纵筋通长布置时,空心墩底截面为薄弱部位;当墩高大于67.0 m且纵筋分段配筋时,则空心墩底截面、纵筋截断处截面以及墩中某一截面均可能为薄弱部位,但空心墩底截面均为首先出现塑性铰的区域;墩中塑性铰需要较大地震动激励才可能产生,纵筋配筋方式的选择应考虑地震动峰值加速度的影响;增加墩底加强纵筋数量总体上对降低墩底截面的塑性程度是有利的,但强震作用下未必能提高桥墩整体的抗震性能;对于高墩,当墩身出现两个或多个塑性铰区时,建议采用曲率延性系数作为评价指标。

夹心杆系统中一维弹塑性波演化精细分析(Ⅱ):弹塑性交界面与平台段反射衰减

相对于入射波加载阶段透反射分析过程,入射波平台段持续时间长且弹塑性传播与演化行为复杂得多,此阶段试件内弹塑性波相互作用的影响非常明显。开展了矩形入射波作用下试件内弹塑性波的相互作用及其在两个界面上的弹塑性透反射行为计算,定量研究了夹心杆系统中反射波的衰减特征。结果表明:强入射波作用下,由于弹塑性波相互作用,试件内形成了曲线型弹塑性交界面,使透射端达到屈服状态的时间明显提前,该弹塑性交界面以大于弹性声速的速度向反射端变速传播;在塑性阶段,反射波的衰减是试件截面积增大引起的广义波阻抗增大和压缩引起的塑性波往返次数增加两个方面导致的衰减量之和。计算显示,试件的密度变化虽然明显影响其波速和广义波阻抗,但两个方面引起的衰减量之和正好接近于零,使得密度变化对透反射波平台段变化的影响可以忽略;塑性模量的增大使得反射波在平台端衰减更快,而试件直径对反射波衰减速度的影响并不是单调的,从4 mm增大到10 mm,反射波衰减速度增大,但增大到12 mm后衰减量反而有所减小。研究结果可为分离式Hopkinson压杆试验透反射波形的深入分析以及精细化试验设计与数据处理提供参考。

超大型地下结构系统地震响应高性能弹塑性流固耦合分析

随着城市地下空间开发进行加快,地下结构的抗震安全问题日益受到重视。为了研究饱和土层,尤其是可液化场地中超大型地下结构的地震响应,必须解决高性能计算、弹塑性本构模型、流固耦合等关键问题。该文基于高性能数值仿真平台GEOSX,开发一套高性能弹塑性流固耦合分析方法。以北京城市副中心站综合交通枢纽为例,采用砂土液化大变形模型进行动力弹塑性流固耦合分析,计算规模超千万自由度。计算结果表明,所开发的分析方法具有较高的并行计算效率,可以实现可液化场地地下结构系统的大规模高效弹塑性流固耦合模拟。对于这一主要处于饱和砂土地层中的超大型地下结构系统,在基本地震作用下,饱和砂土层的最大超静孔压比达到约0.5,产生较为明显的弱化;结构地震层间位移角和内力均满足规范要求,由于存在开洞等断面变化,结构响应三维效应明显;由于与地下结构相连的地上结构相对较小,地上结构对地下结构地震响应影响有限。

卸载状态下非均质圆形寒区隧道围岩弹塑性统一解

以统一强度理论作为卸载状态下寒区隧道冻结围岩屈服准则,综合考虑围岩非均质特性和中间主应力效应对冻结围岩强度影响,建立寒区隧道应力位移弹塑性力学模型,联合各区域边界条件,计算获得冻结围岩均质与非均质状态下,弹性解、塑性统一解以及塑性区半径的隐式方程,分别对其应力位移场讨论分析。研究表明:考虑冻结围岩的非均质特性,塑性区环向应力峰值增大40%,塑性区范围相对减少40.4%,内壁位移减少9.3%,弹性极限承载力提高41%,塑性极限承载力提高14%,影响显著。中间主应力效应能充分发挥非均质冻结围岩承载潜能,计算得到的承载力明显增大,塑性半径明显减小。所得结果可为寒区隧道开挖支护设计以及数值模拟,提供理论指导。

某高层建筑结构静力与动力弹塑性分析

为提高高层建筑在罕遇地震作用下的安全性,以山东省济南市某居民小区单体高层剪力墙结构为研究对象,分别运用Push-over静力弹塑性分析方法、动力弹塑性时程分析方法分析结构的抗震性能。结果表明,随着楼层高度的增加,结构每层的层顶水平位移呈现对数曲线增加的变化趋势;倒三角加载的结构水平位移大于均布荷载加载的水平位移,且楼层越高,两者的偏差越大;不同水平加载方式下的基底剪力随层顶位移的增加均呈现明显的3阶段变化,分别为弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段,均布加载方式得到的极限弹性荷载以及极限荷载均大于倒三角方式加载;高层建筑基底剪力的动力发展过程与地震波的类型关系不大,但基底的峰值与地震波的输入条件有关。

考虑材料塑性流动的粗糙表面弹塑性接触建模

针对粗糙表面弹塑性接触问题,考虑微凸体顶端因接触变形产生的材料塑性流动,从塑性变形体积守恒准则出发,将相邻接触单元划分为不同类型接触片段,对不同类型接触片段分别提出了材料塑性流动模式与算法,建立了表面微观形貌循环更新的弹塑性接触模型。通过与Hertz解和有限元解进行对比,检验了所提模型的有效性。应用所提模型开展粗糙表面弹塑性接触分析,获得了表面微观形貌和接触压力演化过程。结果表明:所提模型与Hertz解和有限元解基本相符,最大误差在10%以内;材料塑性流动使得材料由峰顶逐渐向峰谷转移,导致接触范围随之变大,平均接触压力随之减小,但转变速度逐渐趋缓。

低机械力下G-actin的弹塑性力学特性与动态构象特征研究

目的探究G-actin受到外部低机械力作用下的弹塑性力学性质、分子内相互作用改变机理及G-actin整体与局部的动态构象变化规律。方法结合磁镊拉伸实验与拉伸分子动力学模拟,得到并分析了G-actin在外部低机械力条件下的力学响应机制。首先,通过磁镊以不同拉力加载速率拉伸G-actin样品,获得了对应的力-拉伸长度曲线,统计其去折叠率分布特征和规律。其次,使用拉伸分子动力学模拟方法模拟与实验相同的加载条件,获得了G-actin受力和变形关系及分子内相互作用力。进一步详细分析G-actin整体、局部构象变化与分子内相互作用力变化规律。结果实验与模拟研究揭示了G-actin在外部低机械力作用下的分子内相互作用力、力学响应规律与分子构象的变化特征。确定了其应力应变响应模式及弹性模量、弹性极限、持久伸长量等弹塑性力学参数。验证了采用拉伸分子动力学模拟方法的可靠性和准确性;提出了一种更适用于连续介质层面研究肌动蛋白力-拉伸长度的力学模型。结论第一次通过实验方法得到低机械力下G-actin弹塑性力学性质,第一次用提出采用G-actin分子内相互作用力为主要参数,研究G-actin分子力与分子构象变化的力学响应机制。研究成果为肌动蛋白的展开与折叠过程提供了参考,为大分子动力学研究提供了新思路。

水下爆炸作用下结构弹塑性动响应数值计算方法

针对水下爆炸强冲击载荷作用下结构塑性永久变形问题,建立流固耦合数值计算模型,采用二阶双重渐近法(DAA2)对流固耦合模型解耦,流体和结构数值模型利用分部法交错计算。流体部分对结构湿表面建立边界元模型,通过Newmark时间积分法求解二阶DAA方程;结构部分基于考虑弹塑性效应的任意参考构型理论建立了有限元运动方程,采用前增量位移时间积分法进行显式求解,避免流固耦合数据交互过程中的迭代修正以简化求解流程。对水下爆炸结构动响应问题进行数值模拟,并与理论及试验结果进行对比。结果表明,在水下爆炸产生的强冲击载荷作用下结构会发生永久塑性变形,本研究方法计算得到的位移、速度、应力等结构响应量与相关参考结果相吻合。表明发展的水下爆炸流固耦合求解方法可准确模拟强冲击载荷作用下的结构弹塑性动响应,拓展了DAA2方法的应用范围。

基于纳米压痕反向分析的Fe-32Ni超因瓦合金介观尺度弹塑性本构关系

采用纳米压痕技术和电子背散射衍射分析技术对Fe-32Ni超因瓦合金不同取向的晶粒进行了测试,得到了材料在(001)、(101)和(111)取向下的弹性模量和硬度。同时基于量纲分析提出了一种改进的反向算法,并结合有限元仿真对Fe-32Ni超因瓦合金的纳米压痕过程进行了反向分析和计算,通过纳米压痕实验曲线与仿真曲线的对比,最终获得材料在(001)、(101)和(111)取向下的应力应变关系,结果表明:(001)取向下晶粒的屈服强度最高,(101)取向下晶粒的屈服强度最低。此外,(101)和(111)取向的晶粒屈服后的应力-应变曲线变化趋势较为一致,而(001)取向下的应力-应变曲线变化较为平缓,材料在不同取向下的力学响应具有明显的各向异性。

压载荷下Ⅰ-Ⅱ复合型中心裂纹板弹塑性屈曲载荷研究

为了研究含裂纹结构承载能力,采用有限元方法建立压载荷下Ⅰ-Ⅱ复合型中心裂纹板模型,计算裂纹板弹塑性屈曲载荷,讨论相对裂纹长度(a/w)、裂纹倾角(θ)、板宽(w)、板厚(t)、边界条件对弹塑性屈曲载荷及其变化规律的影响。对于上下夹持中心裂纹板,随着裂纹长度和裂纹倾角的增大,板宽越大,中心裂纹板屈曲载荷对裂纹越敏感,中心裂纹板承载能力受到裂纹长度和裂纹倾角的影响越明显。弹塑性屈曲载荷随着板厚的增大而增大,并且随着裂纹倾角的增大,板厚越大,屈曲载荷的下降程度越显著。上下简支中心裂纹板与上下夹持中心裂纹板的屈曲载荷变化规律基本一致,且上下夹持中心裂纹板的屈曲载荷显著大于上下简支中心裂纹板的屈曲载荷。给出不同边界条件下弹塑性屈曲载荷与相对裂纹长度、裂纹倾角的回归关系式。通过中心裂纹板弹塑性屈曲试验发现,采用压缩力学性能计算弹塑性屈曲载荷更接近试验结果,试验屈曲载荷的变化规律与有限元模拟计算结果一致。研究结果对含裂纹结构的承载能力评价具有参考价值。

集中力下的Winkler地基上双层弹塑性梁

为了完善弹性地基上弹塑性梁的理论基础,假设梁弯曲符合理想弹塑性模型,双层梁层间为竖向弹簧连接,根据受力平衡和本构关系建立Winkler地基上双层弹塑性梁的微分方程并给出通解.以无限长双层梁中心处作用集中荷载为例,研究同质同宽双层梁的加载全过程,分析梁厚、层间竖向模量等参数对梁极限承载力的影响.结果表明:当上、下层梁厚度相同或下层梁更薄时,不论层间竖向模量取多大都是上层梁先屈服;层间竖向模量趋近于无穷时,上下层梁的挠曲线相同,极限承载力趋近于双层叠合梁的极限承载力,此时结构退化成双层叠合梁;当层间竖向模量与地基反应模量之比大于5000时,上、下层梁竖向拉压变形对梁极限承载力的影响超过3%,应予以考虑,宜采用广义模量计入梁截面竖向拉压变形的影响.