冻土的粘弹塑性本构模型以及材料参数的确定

本文认为只有当应力超过长期强度σ_L时,才会产生塑性流动,从而把总应变率分解为衰减蠕变和非衰减蠕变应变率两部分,并建立了一个适用于静荷或重复加载的能够反映温度效应的粘弹塑本构模型。该模型中的材料常数和待定函数可由不同温度、不同荷载下的常应力压缩蠕变实验曲线拐点(破坏点)对应的应变率ε_m和时间t_m以及外应力小于或等于长期强度的蠕变实验资料确定,其确定方法具有明显的物理意义,而且结果是唯一的。利用该方法确定了冻结粉砂的材料参数,把其代入本文的本构模型,其计算结果与实验结果符合较好。

粘弹塑性统一本构模型的参数评估

针对粘弹塑性统一本构模型参数众多的特点和传统评估参数方法的缺点 ,应用非线性最小二乘法与敏感系数分析方法相结合 ,提出了一个比较系统的对粘弹塑性统一本构模型的参数进行评估的方法。对铜合金在室温下不同加载速率的试验曲线进行参数适配 ,表明本方法的合理性与正确性。为粘弹塑性统一本构模型的工程应用奠定了基础。

基于弹塑性颗粒流本构模型的Lac du Bonnet花岗岩破坏细观机理模拟

考虑理想弹塑性弯扭-Mohr-Coulomb-最大拉应力破坏准则,以及拉伸失效、压剪失效、转动屈服和扭转屈服4种失效模式,提出一种新的离散元弹塑性本构模型。该模型植入二次开发的三维颗粒流程序,通过数值试验研究宏细观参数关系,模拟Lac du Bonnet(LDB)花岗岩试样压剪和拉伸强度试验。研究表明:颗粒转动弹塑性弯扭矩对宏观内摩擦角和黏聚力具有显著影响;宏观黏聚力随细观黏聚力和屈服弯扭矩增加而趋于恒定;宏观内摩擦角随屈服弯扭矩和细观摩擦系数增加而增加;岩石宏观单轴抗拉强度随细观极限拉应力的增加而趋于恒定;宏观弹性模量和泊松比主要受细观弹性模量和刚度比影响。弹塑性颗粒流本构模型模拟的LDB花岗岩的强度参数和变形参数,以及压拉强度比和裂缝分布与室内试验结果吻合较好。LDB花岗岩单轴压剪模拟试验在达到峰值应力前,试样内部裂缝以细观拉伸裂缝为主,从试样端部向中部发展成近似X状;在接近或超过峰值应力后,试样内部开始出现压剪裂缝、转动屈服裂缝和扭转屈服裂缝,从试样一端向另一端发展成单斜状,其倾角与宏观破坏倾角接近,发展成宏观压剪破坏面,从而揭示了宏观裂缝形成的细观机理。

结构性软土弹塑性模型的隐式算法实现

对于考虑软土结构性的高度非线性弹塑性本构模型,在采用Newton-CPPM隐式算法对模型进行数值实现的过程中容易出现Jacobian矩阵奇异和不收敛问题.为此,本文提出了两种改进隐式算法.考虑到Newton-CPPM隐式算法是局部收敛性算法,因此引入大范围收敛的同伦延拓算法对Newton-CPPM算法的迭代初值进行改进,形成了同伦–Newton-CPPM算法.考虑到Newton-CPPM隐式算法单个迭代步的计算量过大,因此借鉴显式算法的思想提出一种两阶段迭代算法,第一阶段先求出一致性参数,第二阶段采用类似于显示算法的方法进行回代得出状态变量的值.然后,以考虑软土结构性的SANICLAY模型为例,从弹塑性本构模型的组成和算法的特点两个角度分析了引起Jacobian矩阵奇异和不收敛问题的原因,并且在单单元计算的基础上,对全显式算法、传统隐式算法和两种改进隐式算法在计算收敛性、计算精度和计算效率方面进行了对比.最后,将同伦–Newton-CPPM算法和传统隐式算法用于地基承载力多单元计算中,结果表明该算法能够有效地解决Jacobian矩阵奇异和不收敛问题.

基于响应面法的堆石料弹塑性模型参数反演研究

采用拉丁超立方设计选取堆石料参数,并通过有限元计算得到大坝竣工期典型测点沉降,采用响应面法建立二者之间的映射关系,根据工程实测得到的测点沉降结果得到堆石料的模型参数,建立了一种基于响应面法的堆石料参数反演方法。针对紫坪铺面板堆石坝,根据上述方法得到的堆石料参数,进行了汶川地震震害模拟,并与实际震害结果进行了对比分析。计算得到的大坝填筑期典型测点竖向位移发展过程以及地震后大坝永久变形与现场实测结果吻合较好。

乙烯-四氟乙烯薄膜循环拉伸的黏弹塑性本构模型

对250μm厚乙烯-四氟乙烯(Ethylene-Tetra-Fluoro-Ethylene,ETFE)薄膜进行了单轴循环拉伸试验,通过试验得出ETFE薄膜的应力应变曲线,基于宏观现象和各向同性材料小应变假设,推导了适用于ETFE薄膜单轴循环拉伸第1次加载和卸载的本构方程,编写了采用两步法确定本构方程中参数的程序,利用程序模拟了ETFE薄膜在循环拉伸状态下第1次加载和卸载的应力应变关系.通过与试验得到的应力应变关系对比分析,验证了该本构方程和程序的正确性.提出的ETFE薄膜的本构方程可以较为准确地预测ETFE材料的应力应变关系,为ETFE薄膜结构的分析和计算提供参考.

岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型研究(Ⅰ):模型建立及其数值求解程序

在地下水渗流场、应力场、损伤场的耦合作用下更易造成隧道围岩坍塌或涌水等灾害。首先,将围岩材料视作各向同性连续介质,基于Drucker-Prager准则建立岩石弹塑性损伤本构模型,采用完全隐式返回映射算法实现弹塑性损伤本构方程的数值求解。其次,以上述研究为基础根据岩石处于弹塑性状态时渗透系数动态演化公式,建立岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型,并给出三场耦合情况下的数值求解迭代方法。针对耦合模型中涉及参数较多且不易测定的问题,基于差异进化算法原理建立智能反分析方法,对耦合模型中的损伤参数进行反演。最后,利用C++语言编制相应的岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合程序和参数反演程序,利用所编程序进行以下计算:(1)对智能反分析程序的性能、正确性进行分析,对比不同差异策略、交叉因子、变异因子的反演精度和收敛速度。(2)分别采用弹性模型和弹塑性损伤模型进行隧道围岩位移场、应力场的计算。(3)不考虑力学作用的情况下进行孔隙水压力、渗流量的计算。(4)采用所建耦合模型计算得到隧道围岩应力场、渗流场以及损伤场的相互影响规律。研究结果表明,基于差异进化算法的智能反分析程序能够较好地解决耦合模型中损伤参数不易确定的难题,为实际工程中获得不易测定的计算参数提供了有效的方法,同时所建立的耦合模型通过应力、渗流和损伤的相互作用更能够真实地反映出岩石材料的宏观破坏现象,所编计算程序能够模拟地下水渗流场、应力场、损伤场之间的耦合特性,为受地下水影响严重的工程建设提供了方法,研究结论为后期对实际隧道工程进行耦合计算奠定基础。

基于显式有限元方法的两相介质弹塑性动力反应计算分析

针对增量形式的流体饱和两相多孔介质弹塑性波动方程组,运用基于显式逐步积分格式的时域显式有限元方法对该波动方程组进行求解,并应用基于SMP破坏准则的弹塑性动力本构模型描述两相介质的动力反应性质,对两相介质在输入地震波作用下的弹塑性动力反应进行计算和分析,将计算结果与相应的弹性动力反应的计算结果进行对比;对本文应用的弹塑性动力本构模型进行参数研究,揭示模型参数的取值对两相介质弹塑性动力反应计算结果的影响。计算结果表明:两相介质弹塑性位移反应与相应的弹性位移反应具有较为显著的差别,表现为二者的峰值与反应时程的波形均有比较明显的差异;本文应用的弹塑性本构模型中的塑性势参数的取值对于两相介质弹塑性位移反应的计算结果具有显著的影响,而初始加载和卸载与重新加载阶段的硬化参数的比值仅影响动力反应结束后的塑性变形的幅值。本文工作表明,时域显式有限元方法是进行流体饱和两相多孔介质弹塑性动力反应计算分析的一种有效的方法。

基于统一硬化参数的深海能源土本构模型

深海能源土是指含天然气水合物(俗称“可燃冰”)的深海沉积物,其本构特性的模拟对可燃冰的安全开采至关重要。首先分析了水合物对能源土强度、剪胀和软化等力学特性的影响机理,水合物饱和度越大,对能源土力学特性影响越显著。然后在修正剑桥模型的基础上,通过引入水合物的饱和度和统一硬化参数来修正屈服函数,以反映水合物对能源土强度、剪胀、软化等特性的影响,建立了能考虑天然气水合物胶结作用形成及退化影响的深海能源土弹塑性本构模型,推导了相应的弹塑性矩阵。最后,通过模拟结果与已有能源土三轴试验数据对比分析,表明模型能很好地预测能源土强度、剪胀和软化等特性,验证了模型的合理性和有效性。

一种基于Willam-Warnke模型的钢纤维混凝土单轴损伤本构模型

通过选取Willam-Warnke五参数模型作为屈服函数,基于等效应变假定和损伤准则,并将钢纤维含量特征值与屈服函数、损伤准则相联系,建立了增量型式单轴弹塑性损伤本构模型。根据已有钢纤维混凝土单轴拉伸与压缩试验结果,应用该模型进行了验证,验证结果表明,模型计算结果与试验结果吻合较好,能够很好地反映出钢纤维掺量对峰后曲线的影响。同时,应用该模型对在单轴下的拉伸循环、压缩循环以及、拉压循环进行了验算,验算结果表明,该模型能够模拟计算单轴复杂加载路径下的应力-应变关系。

土体热力学本构模型的改进、验证及有限元分析

首先给出了建立土体弹塑性本构模型的热力学方法的基本思路,它不仅具有紧凑的数学结构,而且能自动满足热力学定律,具有较严密的数学物理基础。随后在简要介绍与分析Collins的热力学土体模型的基础上,针对其硬化定律的不足,引入统一硬化参量对其进行改进,从而将该模型扩展为既能反映砂土剪胀等变形特性,又适用于黏土的统一热力学模型。编制了改进前、后的土体热力学模型的试验验证程序与有限元程序,通过对计算结果的对比分析,初步验证了模型的适应性与有效性。

考虑剪切硬化的砂土临界状态本构模型

基于临界状态土力学框架,建立了一个剑桥类砂土本构模型,适用于单调静力荷载,加入了剪切硬化、依赖状态的剪胀的概念。屈服面采用倒子弹头型,硬化规律不是采用剑桥模型的体变硬化,而是借鉴Hashiguchi次加载面模型的思想,推导出与Norsand砂模型相同的增量形式的塑性剪应变硬化表达式。流动法则采用加入状态参数概念的修正的Rowe应力剪胀关系,该模型能考虑砂土变形特性对密度和固结压力的双重依赖型,只用一组材料参数就能模拟不同密度和固结压力下的应力应变响应,可反映材料的软化。通过与常规三轴试验、等p路径三轴试验等结果的对比,表明该模型是合理的、有效的。

两轮差速移动机器人构型与运动学研究

以两轮差速移动机器人为研究对象,分析了不同构型的优缺点及适用范围,提出了一种适合室内轻量搬运场景的构型,建立了运动学模型并提出了运动学参数校准的工程化方法,通过实验验证了模型的正确性和校准方法的有效性。

以塑性功函数为硬化参数的土的弹塑性模型

为解决清华弹塑性模型参数多和参数确定困难的问题 ,以永定河砂试验资料为基础 ,提出了以塑性功 Wp 的函数为硬化参数的土的弹塑性模型。给出了模型参数用等向压缩试验和常规三轴试验确定的方法。模型可用于三维应力状态的分析。应用所建模型对中密永定河砂的应力应变关系预测曲线与试验曲线进行比较 ,结果表明它可以较好模拟砂土变形的剪胀。

沥青混合料黏塑性变形的不同形式描述

分析了沥青混合料的变形组成,提出了包含弹塑性、黏弹性和黏塑性变形分量的本构框架,采用3种不同方式描述其黏塑性变形,分别得到相应的黏弹塑性本构模型:模型1——假定黏塑性应力与蠕变加速度成正比;模型2——假定黏性系数是加载时间函数;模型3——假定黏塑性应变满足应变硬化定律;进行试样在0.10,0.15,0.20,0.25和0.30 MPa应力下单轴压缩蠕变实验,求得模型参数,对比研究了模型预测值和实验值。研究表明:较低应力下3种模型完整反映了沥青混合料压缩蠕变的整个过程;在较高应力时,模型2预测值与实验结果吻合最好,模型1次之,模型3预测初始蠕变效果最差。

钢筋粘结滑移的理论模型分析

将化学胶合力、摩擦力和机械咬合力等所构成的粘结强度简化为初始粘结应力和随粘结滑移增长的摩擦应力之和,并且将摩擦应力的非线性变化采用双直线滑移曲线表达。将钢筋锚固长度的粘结强度发挥程度划分为塑性段与弹性段,应用荷载传递函数方法与钢筋滑移的连续条件建立粘结滑移本构模型。剪切变形系数Cz、初始粘结应力τ0与粘结应力的增长率ξ等计算参数采用复形优化方法拟合确定。与试验数据对照,可以较好地反映粘结强度的发展与分布规律。

不同冷成形加工工况下钛合金板材的初始回弹

钛合金板材是一种高模量弹塑性材料,在冷成形加工的过程中,回弹控制难度较大.金属板材的冷成形加工过程,实际涵盖了多种冷成形加工工况.就板材冷成形加工过程中遇到的各种工况进行梳理分析,归纳为若干典型的工况,针对不同的冷成形加工工艺所含盖的典型工况,对高模量弹塑性板材在冷成形加工脱模后的初始回弹问题,进行了精细的分析,并提出了高精度的解析解.从而,在理论上为诸如钛合金之类的高模量弹塑性板材的冷成形加工,冷成形模具设计,及其冷成形加工工艺的工序优化,提供参考依据.

波流共同作用下砂质海床动力响应

基于饱和土两相混合u-p(土骨架变形-饱和土孔隙水压力)理论,采用基于上下负荷面和各向异性的砂土液化本构模型,建立一个多孔介质弹塑性海床模型,用于分析波流共同作用下砂质海床动力响应规律.计算分析了波流共同作用下,砂质海床瞬时振荡孔隙水压力与残余孔隙水压力累积的响应规律,并获得了海床液化深度的变化规律.此外,比较了采用弹性与弹塑性砂土本构模型时,海床在波流作用下的动态响应差异.

面板堆石坝变形计算的一种新型数值方法

针对高面板堆石坝对变形控制要求高的问题，利用中井本构关系模型及其稳定、快速收敛的 欧拉向后应力积分算法，在局部误差和整体误差都得到精确控制的情况下，用弹塑性有限元方法对 面板堆石坝进行有限元分析计算。同时，提出了按设计阶段和施工阶段分别采用不同的方法确定 模型参数，从而使得选取的模型参数尽可能反映工程实际，提高数值计算精度。