混凝土的一种标量损伤弹塑性本构模型

荷载作用下材料性能的劣化是混凝土结构的微观损伤机理,其宏观表现为结构刚度的折减和承载力的降低。论文推导了基于不可逆热力学过程的弹塑性标量损伤本构,给出时间离散的屈服准则。采用基于向后Euler法的应力更新算法——两步图形返回的最近点投影法,推导了满足迭代结果收敛假设的塑性参数及算法刚度张量,给出了空间梁单元本构积分算法的Jacobi矩阵。将模型用于混凝土简支梁的承载力试验模拟,与计算数据对比表明了模型和算法的合理性和有效性。

基于本构积分算法的岩体结构面三维弹塑性有限元模型

通过应用非关联塑性理论得到结构面的三维结构面本构关系,定义加载剪涨段和反向剪缩段以适应多方向的复杂加卸载条件,修正以往模型只能剪涨的问题,并考虑了结构面的软化效应。为了这个本构关系能够很好的用于实际工程的有限元计算,结合ABAQUS二次开发功能,编制了UEL用户自定义单元子程序。算法采用后退Eular法,以避免在有限元计算中出现应力状态偏离屈服面的情况,提出了基于本构积分算法的结构面单元,以及与其一致的算法模量,应对不平滑的屈服面展示了良好的收敛性和计算速度。最后进行数值实验,分别模拟了直剪实验,循环剪切实验和约束刚度实验。通过与实验结果的比较,确认了模型的合理性。

非饱和黏土状态相关本构模型的数值实现

基于双重塑性机制,即剪切滑移和加载湿陷机制,及毛细滞回和变形间的耦合作用,提出了一个适用于非饱和黏土的状态相关本构模型。建立了该模型的隐式积分算法,并处理了双重固相屈服面交点处的应力积分问题。考虑了吸力与应力间的关系,推导了本构关系的一致性切线模量。最后,利用该模型预测了一组非饱和黏土的三轴试验,以此反映模型的描述能力;对比了不同应变步长下应变控制试验的计算结果,并以此验证算法的收敛性和准确性;利用有限元程序平台U_DYSAC2计算了二维情况下非饱和土地区地基固结问题,从而验证所得一致性切线模量的有效性。

两种弹塑性算法的比较

分析了弹塑性一致切线模量算法与径向返回算法，发现一致切线模量算法并不如有关文献报道的那样，比径向返回算法有快得多的收敛速度，两个算例表明了这一点。这使对一致切线模量算法有比较全面的看法。

非线性弹粘塑本构模型开发及应用

讨论了岩体非线性流变的复杂力学行为,基于Peirc比例因子,提出一种非线性弹粘塑性本构模型,并推导了有限元应力返回算法及一致切线模量。根据ABAQUS的UMAT格式要求,编制了相应的接口程序,将该模型引入ABAQUS中。数值试验结果表明,所建立的非线性弹黏塑性流变模型可以统一描述不同应力状态下的蠕变过程,具有广泛的适用能力。采用该模型对岩石隧道进行弹粘塑蠕变数值计算,得到了隧道拱顶下沉及接触压力的随时间的变化规律。结果表明该模型是正确和可靠的,具有良好的应用前景。

Lemaitre等向硬化弹塑性损伤耦合本构模型积分算法及程序实现

涉及复杂材料弹塑性损伤问题数值计算研究时,不仅需要选择恰当预测损伤和破坏的本构模型,还需要有效和稳健的本构积分算法。首先,阐述了在热力学和连续介质力学框架下建立弹塑性损伤本构模型的基本步骤;其次,基于Lemaitre等向硬化弹塑性损伤耦合本构模型、相应的本构积分算法-完全隐式返回映射算法(Fully Return Mapping Algorithm)和一致切线模量,采用C++语言在Visual 6.0环境下编制有限元本构求解程序,在塑性损伤修正步中求解返回映射方程时,选取一种简单的形式,只需迭代求解一个标量非线性方程,计算效率较高。最后,通过缺口圆棒数值算例初步验证了程序的正确性,并编制接口程序对计算结果进行可视化。研究结果表明积分算法的有效性及程序的正确性,Lemaitre等向硬化弹塑性损伤耦合本构模型能够较好地模拟韧性材料的破坏发展过程,可以求解类似的有限元边界值问题,为考虑损伤特性的韧性材料结构研究和设计奠定基础。