考虑地层横观各向同性的地铁临近环境减隔振超结构

基于能带理论的减隔振超结构由于其禁带特性而受到了广泛的关注,其中局域共振禁带对小尺寸结构实现低频减隔振具有重要意义,并被应用于地层土体表面波和体波减隔振。然而目前绝大多数研究集中于各向同性土体。考虑地层土体横观各向同性,研究二维橡胶-混凝土超结构对地铁振动的减隔振特性,对比分析了混凝土半径、橡胶厚度和土体各向异性对超结构全向禁带的影响。在此基础上建立不同方向透射和全尺寸透射模型,验证了弹性波在超结构禁带频率内能够有效衰减。探索了土体各向异性对减隔振超结构性能的影响,能够为地铁临近环境减隔振设计和分析提供参考及指导。

磁共振弹性成像横观各向同性模型参量估计

目的磁共振弹性成像(MRE)技术能够无创测量人体软组织的力学特性。尽管目前研究多集中于各向同性模型,但针对脑白质和肌肉等横观各向同性组织,尚缺乏高效的参数估计方法。本研究采用行波分解模型,为横观各向同性弹性模型提供了一种新的闭式解析解,并在仿真和实验中验证了其有效性。方法从行波分解模型出发,结合横观各向同性模型中波的偏振和波速与传播方向以及纤维方向的关系,获得了横观各向同性参数和波场以及纤维方向的直接关系,并得到参数的直接解析解。并设计了前置低通滤波器做预处理,以及多频率多测量的融合,最终得到稳定的横观各向同性参数估计方法。结果本文通过异质性仿真实验验证了算法在参数估计和异质性结构识别的准确性。牛肉弹性成像和动态流变测试进一步证实了算法的可靠性,本方法结果与离体测试结果相符。在人脑磁共振弹性成像中,该方法准确恢复了白质区域的力学参数分布。结论本研究从行波分解的角度出发,提出了一种快速准确的横观各向同性弹性模型反演方法。仿真和实验验证表明,该方法能够有效估计异质性复杂纤维组织的各向异性力学参数,为深入理解生物组织的力学特性及相应疾病的监测提供了新的视角和工具。

移动荷载作用下层状横观各向同性饱和土中排桩的隔振效应

利用有限元-边界元耦合法评估了移动荷载下层状横观各向同性饱和土体中排桩的隔振效果。利用有限元法将排桩离散成单桩以及桩单元,基于Bernoulli-Euler梁理论得到桩的有限元矩阵方程;在桩-土边界,土体单元与桩单元进行了等节点离散,并以层状饱和地基的解析层元基本解作为核函数,利用边界积分法得到桩-土界面处地基的柔度矩阵;基于两阶段理论,将侧摩阻力响应与移动荷载直接引起的振动进行耦合,结合边界元法得到饱和地基的边界元方程;考虑Bernoulli-Euler梁和土体之间不发生相对滑移和脱开的位移协调条件,耦合有限元和边界元方程,得到排桩的动力响应方程;计算有无排桩隔振下某一观测点的位移,即可结合隔振理论分析排桩的隔振效率。在验证所提方法准确性的基础上,分析了桩长、桩身刚度、移动荷载速度以及横观各向同性参数对排桩隔振效应的影响。结果表明:最优桩长约等于2倍瑞利波长,超过该值隔振效果提高不大;桩与地基的刚度差越大,隔振效果越好;荷载速度超过剪切波速,桩基隔振表现反而更好。

固体发动机绝热层横观各向同性超弹性本构模型

固体火箭发动机绝热层因内部存在短纤维,其力学行为难以准确表征,为了建立考虑短纤维影响的本构模型,针对芳纶短纤维增强三元乙丙橡胶材料开展了平行于压延方向(0°)与垂直于压延方向(90°)的拉伸试验,验证了绝热层材料内部短纤维近似定向分布的假设;同时基于断面SEM图像分析了绝热层材料的纤维抽离、纤维断裂、基体损伤等失效行为。基于试验观测,在应变能密度函数中引入纤维项,建立了适用于绝热层材料的横观各向同性超弹性本构模型,并通过0°、45°和90°单轴拉伸试验验证了该模型的准确性,不同角度预测误差均在10%以内。最后,利用该模型给出了在不同方向上绝热层简单变形的应力响应表达式。

2.5维有限元分析高铁荷载下准饱和横观各向同性地基振动特性

为分析高铁荷载下准饱和横观各向同性地基振动特性,推导了准饱和横观各向同性地基2.5维有限元控制方程,建立了列车-轨道-准饱和横观各向同性地基2.5维有限元模型,对比研究了不同车速下饱和与准饱和横观各向同性地基的振动特性,分析了准饱和横观各向同性地基土体参数对振动特性的影响。研究结果表明,准饱和横观各向同性地基表面产生的向上和向下位移均大于饱和地基。不同车速下准饱和地基振动位移均大于饱和地基,但超静孔压远小于饱和地基;车速越高,饱和与准饱和地基表面振动位移越大而衰减越慢,超静孔压越大且衰减越快,轨道中心处准饱和与饱和地基位移相差越大。准饱和地基竖向振动位移和超静孔压随水平弹性模量和垂直弹性模量的增加而减小,随水平泊松比增加而增大,随垂直泊松比增加而减小,随垂直剪切模量增加而减小。垂直弹性模量较水平弹性模量对地面竖向振动位移影响更大。与水平泊松比相比,垂直泊松比对准饱和横观各向同性地基竖向振动位移峰值和超静孔压影响更大。

横观各向同性板岩三轴力学特性及其本构模型

板岩属于典型的横观各向同性材料,其物理力学特性具有明显的方向性。对5种不同层理夹角板岩试样进行2组围压(5 MPa和10 MPa)下的三轴试验,试验结果表明:三轴压缩下不同层理角度板岩的峰值强度、残余强度均随围压的增大而增大,但试验范围内的围压对其径向变形的影响有限,岩石试样弹性阶段的轴向应变增大了17%,径向应变增大了6%;岩石三轴峰值强度、残余强度与层理夹角呈非线性关系,水平层理夹角试样的峰值强度最大,45°层理夹角试样的峰值强度最小,60°层理夹角试样的残余强度最小。板岩最小主应力与岩体层理面的夹角会因开挖后的应力重分布而发生改变,在考虑其力学特性和层理夹角关系的基础上,建立了板岩横观各向同性弹塑性本构模型,通过整体坐标系中的广义胡克定律描述岩石应力-应变关系的弹性部分,计算得到整体坐标系中的弹性刚度矩阵;采用改进后的Mohr-Coulomb屈服准则、非关联流动法则和应变硬化准则描述其塑性部分。本构模型所需的材料参数(如弹性参数,塑性参数)通过常规三轴试验获得,采用FORTRAN语言对UMAT子程序进行二次开发,在ABAQUS中实现了板岩弹塑性本构模型的构建,并将理论模型所得结果与三轴试验结果进行对比,发现所构建的横观各向同性板岩弹塑性本构模型是合理的。

高铁荷载下横观各向同性CFG桩桩土复合路基减振特性研究

基于2.5D有限元法基本原理,推导横观各向同性地基2.5D有限元控制方程,利用等代桩墙对水泥粉煤灰碎石(cement fly-ash gravel, CFG)桩桩土复合路基进行简化,建立高铁荷载下横观各向同性CFG桩桩土复合路基2.5D有限元分析模型。考虑不同车速,分析横观各向同性地基土体刚度比n对高铁荷载下地面振动的影响,研究CFG桩桩土复合路基的减振机理,探讨桩径、桩间距、面积置换率m对其减振特性的影响。结果表明:高铁荷载下地面振动随横观各向同性地基土体刚度比n的提高而减小;CFG桩能更多地将高铁运行引起的动荷载沿深度方向传导至复合路基深处,从而显著减小地面振动,且减振效果随与轨道中心距离逐渐增强;CFG桩桩土复合路基的减振效果随桩径增大或桩间距减小而增强,当桩径大于等于0.5 m或桩间距小于等于4倍桩径时,进一步增大桩径或缩短桩间距难以显著提高减振效果;振动衰减系数FVR随CFG桩桩土复合路基面积置换率m的增大而减小,当面积置换率m≥0.06时,继续增大面积置换率m对减振效果的影响较小。

基于有限材料参数试验数据的横观各向同性板结构随机有限元分析与验证

当材性试验数据有限时,为了研究各力学参数的离散性和不确定性对结构性能计算的影响,需要对材料参数采用随机变量建模并基于概率理论构建刚度矩阵的随机模型。为此,首先将随机弹性张量分解为一组基张量和由材料参数构成的随机系数的线性组合,以考虑刚度矩阵各分量间的统计相关性;并利用最大熵原理确定由上述随机系数组成的随机向量的概率密度函数。采用基于Metropolis-Hasting算法的马尔科夫链蒙特卡罗方法用于计算与之相关的概率模型的拉格朗日乘子,并通过Matlab生成材料参数的随机样本。最后采用蒙特卡罗随机有限元法对横观各向同性材料构成的板式结构在不同荷载下的力学行为进行了数值分析。以刨花板材料为典型案例,与试验结果对比,验证了本文方法的效果和实用性。

基于横观各向同性的土工格栅增强地基力学特性研究

【目的】土工格栅加筋地基在水利、建筑、交通等工程应用广泛,其竖直方向和水平方向的力学特性是值得关注的焦点。为研究不同加筋间距、层数对土工格栅加筋地基竖向和水平向承载特性的影响,【方法】通过物理模拟浅层平板载荷试验,将土工格栅加筋地基视为横观各向同性介质,结合复合材料力学理论推导出了弹性参数的求解方法,同时考虑地基横观各向同性特征计算了竖向附加应力及沉降量。【结果】结果显示:400 kPa可作为地基极限荷载值,加筋5层、7层、16层在相同沉降位置的地基承载力分别提高了26%、39.2%、63.5%;在相同挡墙高度107 cm处,加筋5层、7层、16层工况相比无加筋工况水平位移减少了59%、66%、85%。【结论】结果表明:土工格栅加固地基后对土体的变形模量、剪切模量增强作用显著,而竖向泊松比变化较不明显;加筋地基的水平、竖向变形模量分别与加筋率之间存在较好的线性关系,采用横观各向同性模型推导计算的附加应力值接近试验值,计算的沉降量与试验值误差较小。研究成果可为类似实际工程设计提供一定的理论依据。

基于分数导数理论的横观各向同性饱和黏弹性地基中大直径嵌岩桩的竖向振动

为探究各横观向同性饱和黏弹性土中大直径嵌岩桩的纵向耦合振动特性,基于Boer饱和多孔介质理论、分数导数黏弹性模型以及横观各向同性本构方程建立了u-p形式的横观各向同性饱和黏弹性土体动力控制方程组,并使用分离变量法求解得到桩侧土反力基本解。继而结合Rayleigh-Love杆模型建立了大直径黏弹性桩在横观各向同性饱和黏弹性土中的竖向振动方程,基于桩土相容条件和边界条件求解得到了桩顶竖向动力阻抗解析表达式,进一步通过Fourier逆变换得到了激振荷载为半正弦脉冲时桩顶的速度时域半解析解。通过将本文解与数值模拟和已有研究结果进行对比验证了本文推导的合理性。最后,通过数值算例分析了横观各向同性和黏性对桩基振动特性的影响。研究结果表明:土骨架的横观各向同性和黏性特性对桩基的振动特性具有显著影响。桩顶动力阻抗共振幅度以及速度响应反射波信号幅值随着土骨架横观各向同性比δ的增大而减小,而随着土体黏性参数比τ_(ε)/τ_(σ)以及分数导数阶数α的增大而增大。并且当δ较大或τ_(ε)/τ_(σ)及α较小时,不利于速度响应反射波信号的观测。从整体来看:土体横观各向同性及黏性特性对桩顶动力阻抗共振频率的影响较小。

级配碎石横观各向同性动态回弹模量预估研究

【目的】建立一种快速且高效预估级配碎石横观各向同性动态回弹模量的方法。【方法】首先,选取四种碎石材料,通过级配试验、击实试验、亚甲蓝试验、细骨料含量试验和集料成像系统试验表征级配碎石材料特性。接着,提出可以表征应力水平和湿度状态对回弹模量影响的级配碎石横观各向同性动态回弹模量本构模型。然后,通过开展室内快速动三轴试验并采用系统识别方法得到四种碎石材料在不同级配组合、应力水平和湿度状态下的竖向、横向和剪切模量。最后,利用相关性系数评估模型的拟合精度,采用JMP统计软件并基于多元线性逐步回归方法建立级配碎石材料特性与横观各向同性回弹模量模型参数之间的回归关系。【结果】级配碎石横向模量与竖向模量比为0.3~0.6,剪切模量与竖向模量比为0.2~0.4;中级配碎石横观各向同性回弹模量普遍高于粗级配或细级配碎石的回弹模量;在不同的应力水平条件下,级配碎石的横向、竖向和剪切模量均随含水率的增加而减小。【结论】新的横观各向同性动态回弹模量模型通过引入基质吸力和汉克儿应力因子,能够精确拟合快速动三轴试验得到的级配碎石试件在不同应力水平和湿度状态下的横观各向同性回弹模量,平均拟合相关系数高达0.98;级配碎石的干密度、含水率、亚甲蓝值、细骨料含量、级配、棱角性和形状等材料特性均显著影响横观各向同性回弹模量模型参数。

横观各向同性岩石的非连续强度准则

从横观各向同性岩石在不同加载方向下抗压强度与围压水平的线性关系和峰值强度的方向相关性出发,基于摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)强度理论提出了可反映不同加载层理倾角下岩石强度与围压线性关系的非连续性强度准则,并结合试验数据与现有强度准则进行对比,验证了该强度准则的合理性。最后针对岩石强度各向异性性质的围压敏感性开展了分析,发现随着围压的提高,岩石各向异性特性逐渐减弱。

单轴压缩下横观各向同性岩石破裂过程的数值模拟

采用基于细观损伤力学基础上开发的 RFPA2D数值模拟软件,用 2 种不同的岩石材料来组成 7 个不同岩层倾角的横观各向同性的岩石试件,通过单轴加载数值模拟试验,模拟横观各向同性岩石渐进破裂的整个过程,分析了岩层与最大主应力之间的倾角和强度之间的关系,讨论了不同岩层倾角的横观各向同性岩体的不同破裂模式及其破坏准则。

横观各向同性岩石弹性参数及抗压强度的试验研究

为了揭示层状岩石力学特性的各向异性,对7种不同层理角度下的板岩进行单轴压缩试验,测出了板岩的弹性模量E和E′、泊松比ν和ν′以及剪切模量G′,并运用单弱面理论分析单轴抗压强度和破坏形式与层理角度之间的关系。研究结果表明板岩压缩破坏存在2种形式:当0°≤<10.5°和87.0°<≤90.0°时,板岩从内部发生压缩剪切破坏,剪切面粗糙不平;当10.5°≤≤87.0°时,板岩沿层理面产生滑移破坏,表面较光滑。板岩受内部层理构造的影响,随着从0°变化到90°,抗压强度呈现两端大中间小的趋势,视弹性模量Eθ以及视泊松比νyx和νyz由小变大。

横观各向同性功能梯度材料矩形板的自由振动

考察了沿厚度方向材料参数为非均匀的功能梯度横观各向同性矩形板的自由振动。通过引入两个位移函数和两个应力函数导出了两个独立的变系数状态方程。进一步利用分层近似理论 ,将变系数状态方程化为常系数状态方程并求解。发现存在两类独立的自由振动形式 :第一类对应纯板内振动 ,第二类对应一般的弯曲振动。给出了数值结果 ,讨论了材料梯度指标对固有频率的影响。

冻土横观各向同性非线性本构模型的实验研究

通过对冻土形成过程及组构特点的分析,指出冻土属正交各向异性材料;并对-5℃～-9℃之间冻土试件3个主方向应力–应变关系曲线、切线模量E以及各向泊松比μ进行了全面实验测定,应用复合材料力学理论,分析证实了冻土可以足够精确地认为是非线性横观各向同性材料,为建立新的冻土本构模型及强度准则,并为冻土与建筑物相互作用的数值分析提供了理论依据。

基于等效横观各向同性虚拟材料的固定结合部建模方法

为提高固定结合部的建模精度以及通用性,考虑固定结合部在法向和切向的不同特性,提出利用横观各向同性虚拟材料等效的固定结合部动力学参数化建模方法,将固定结合部两接触面的微观接触部分等效为一种等截面的横观各向同性虚拟材料,等效虚拟材料与两侧零件均为固定连接。基于接触分形理论和固定结合部接触刚度分形模型,根据横观各向同性材料弹性常数的定义,理论推导了等效虚拟材料弹性常数以及密度的理论计算模型。在此基础上,对具有固定结合部的试验模型进行了有限元建模与模态分析,进而将理论分析模态与试验模态进行比较,结果表明:试验模型的理论模态与实验模态的前6阶振型完全一致,相应固有频率的相对误差的绝对值在10%以内,说明了建模方法的正确有效性,为数控机床固定结合部动力学建模提供了一种新的方法,实现了固定结合部动力学建模与有限元分析软件的无缝衔接集成。

基于横观各向同性冻土的U形渠道冻胀数值模拟

将冻土分别视为各向同性和横观各向同性线弹性材料,把渠基冻土和渠道衬砌作为一个整体结构,视基土冻胀为热胀冷缩的特殊情况,应用大型有限元通用软件ANSYS,对U形混凝土衬砌渠道冻胀进行热应力耦合数值模拟,计算渠道冻胀的温度场、应力场和变形场,研究衬砌板冻胀力和变形规律,并对结果进行对比分析.结果表明,数值模拟方法能较好地反映U形混凝土衬砌渠道的冻胀机理和冻胀温度场、应力场及变形场的基本规律,横观各向同性比各向同性更能反映冻土的本构模型,与实测成果吻合更好,可用于U形混凝土衬砌渠道抗冻胀设计.

考虑中间主应力的横观各向同性深埋圆隧弹塑性解

平面应变条件下的深埋圆形交通隧道问题一般忽略中间主应力影响,但塑性区围岩的变形与实际情况会产生较大差异。岩土与地下工程中多遇到层状岩体,常将其处理为横观各向同性固体材料。充分考虑中间主应力对深埋圆形隧道的影响,基于平面应变假设得出了与横观各向同性材料相适应的Drucker-Prager准则并将其与Mohr-Coulomb准则精确匹配,在此基础上推导了考虑剪胀特性的横观各向同性理想弹塑性材料在塑性阶段的中间主应力表达式;根据所得的中间主应力表达式,推导出横观各向同性深埋圆形隧道围岩塑性区应力位移解析式;结合实际算例,分析了横观各向同性参数与围岩剪胀角对横观各向同性深埋圆形公路隧道围岩塑性区位移的影响规律。为深埋圆形交通隧道的计算和设计提供更为合理的理论基础。

基于FLAC^3D横观各向同性模型的煤矿井田初始地应力场反演方法

大多数初始地应力场的反演均将对象岩体简化为各向同性弹性体,但是对于具有层状构造、倾角多变、力学性质方向差异较大的含煤地层,这样简化就会导致反演结果误差很大,同时这种多层交互岩体在计算建模、参数取值等过程中也存在难度。为了提高具有复杂地质条件的煤系地层初始地应力场反演精度,提出了基于FLAC^3D横观各向同性弹性模型和各向同性弹性模型相结合的地应力反演方法。同时为解决多层交互、倾角多变等煤系地层的计算建模、参数选取等问题,根据岩层交互规律、岩性特征,通过对复杂地层进行地质概化,建立与实际岩层基本一致的计算模型,进行数值试验,得到了用于数值计算的多层岩体等效力学参数。根据数值试验结果,建立了局部区域的横观各向同性弹性模型和各向同性弹性模型相结合的计算模型,利用偏最小二乘回归方法拟合地应力场并将地应力场精确加载至计算模型并实现力的平衡,最终完成初始地应力场的加载。结果表明,采用建立数值模型来计算各层岩体的等效力学参数的方法优化了建模过程,提高了数值计算效率。对比两种方法反演结果,采用横观各向同性模型进行计算更能体现具有层状构造的煤系地层力学性质的方向差异性,能有效提高局部区域的地应力拟合精度,其地应力反演结果更符合实测值。