基于ABAQUS的修正Burgers蠕变模型二次开发

通过蠕变有限元理论及实现方法研究,借助ABAQUS提供的用户材料子程序UMAT,二次开发出修正Burgers蠕变模型子程序。之后对单轴蠕变试验进行数值模拟,对比分析了ABAQUS自带时间硬化蠕变模型和自编修正Burgers蠕变模型的优劣。研究证明本次编写的修正burgers蠕变UMAT子程序能够正确区分沥青混合料的粘弹性变形,弥补了ABAQUS自带蠕变模型的不足。

基于修正Burgers模型的沥青混合料粘弹性蠕变损伤时-温激励特性研究

为研究沥青混合料蠕变特性与其时-温条件下的蠕变规律,准确反映沥青混合料蠕变过程及蠕变数值,引入反映材料内部损伤效应的损伤因子,对Burgers模型进行非线性修正,建立修正Burgers蠕变模型,并通过沥青混合料单轴压缩蠕变实验和离散元PFC模拟蠕变试验进行对比分析,以验证模型的可靠性.研究结果表明:通过修正模型对实验结果的拟合分析,得出沥青混合料时-温蠕变过程的5个发展阶段及各自特点;推导出不同温度沥青混合料蠕变值计算公式;建立的非线性材料损伤蠕变模型可较好地描述沥青混合料蠕变过程.

基于Burger’s蠕变模型的采矿车行驶海底稀软底质下陷研究

在陆地矿产资源日渐枯竭的今天,深海矿产资源已成为全球各个国家争相开采与利用的焦点,深海采矿车是实现深海矿产资源开采的重要装备。海底稀软底质是一种承载力与抗剪强度极低的特殊底质,在采矿作业中,深海稀软底质的物理力学特性直接影响采矿车行走的稳定性。文章选取Burger’s接触模型作为深海稀软底质的本构模型,对某海域海底稀软原状土开展室内三轴试验,通过PFC3D颗粒流数值模拟实验对比实际三轴试验,对稀软底质的Burger’s蠕变模型进行参数标定,同时依据标定结果改变相应参数,针对5种不同底质条件的工况,建立海底采矿车的数字仿真模型,模拟各工况下采矿车在不同行驶速度时的下陷深度。结果显示,下陷深度会随行驶速度呈非线性变化,在一定范围内随着行驶速度的增大而减少并逐渐趋于稳定。同时结果还表明,该区域海底稀软底质具有更高的黏粒含量(38.1%~48.4%)、含水率(88.13%~137.79%)和压缩性(压缩系数:1.86~3.73 MPa^(-1),压缩模量:1.26~2.13 MPa),具有更低的密度(1.3~1.5 g/cm^(3))和强度特性(贯入阻力:0.19~1.32 N,黏聚力:3.7~6.9 kPa,内摩擦角:2.4°~3.9°),即承载力较低,蠕变性能较强。本研究在宏观上做了一般的探讨,为类似参数的稀软底质下海底采矿车的运行安全控制提供了较好借鉴与依据。

基于修正Burgers模型的泥岩层套管形变影响因素分析

地层含水饱和度的变化对于泥岩储层的蠕变特性有较大影响,尤其是注采过程中泥岩段套管产生形变从而导致套管损坏。本文在Burgers模型基础上加入含水饱和度元件,提高了瞬时蠕变阶段模型的精度,同时对实际油田某泥岩区块进行了比对,得出随含水饱和度增加,地层蠕变量增大,且瞬时蠕变阶段时间减小的结论,同时在蠕变条件下套管壁厚、水泥环弹性模量、地层含水饱和度均可大幅度影响套管变形,而套管尺寸对套管变形几乎无影响。本研究成果能够更加准确地计算地层不同含水量条件下泥岩蠕变的套管变形,对井筒的破坏进行有效的预防及控制。

考虑沥青混合料空隙率的蠕变特性及改进Burgers模型

为了更为精确的分析不同空隙类型沥青混合料的抗变形性能的影响,在经典的Burgers模型上进行改进,添加了一个非线性元件,得到改进的Burgers模型,将模型的宏观参数转化为离散元PFC的微观参数,植入PFC程序,用于分析不同空隙特征沥青混合料的抗变形性能。结果表明:改进Burgers模型能较好地表征空隙率较大的沥青混合料的蠕变特性,且空隙率较大的沥青混合料在加载过程中相比与空隙率较小的沥青混合料的非线性蠕变变形更为明显,同时,改进Burgers模型可较好地预测在不同温度条件下不同空隙类型的沥青混合料的蠕变变形。用于研究大空隙特征沥青混合料OGFC-13时,当空隙率增大2%时,沥青混合料蠕变变形最大可增大1/2,当空隙率增大10%时,沥青混合料蠕变变形可增大近6倍。

加筋黄土蠕变特性与改进Burgers模型模拟研究

位于中国西北部的黄土高原为滑坡多发区,具有亚稳态结构、高孔隙率和水敏性等特性的黄土在外界扰动作用下会表现出不稳定性。除了土的剪切特性外,蠕变特性被认为是决定长期抗剪强度的关键因素。合理评价加筋黄土的蠕变规律与长期强度对促进加筋黄土的工程应用具有十分重要的意义。本文利用大型直剪设备进行加筋黄土的蠕变试验得出水平剪位移–时间的变化曲线,研究了加筋黄土在大位移强度状态下的蠕变特性。此外,为了克服传统蠕变模型的不足,本文提出了一种引入非线性参数β的改进Burgers模型。与传统的Burgers模型相比,改进Burgers模型能够更准确地描述非衰减蠕变与黏性流动在加速蠕变阶段的曲线。结果表明:加筋黄土存在三种蠕变行为,包括衰减蠕变、非衰减蠕变和黏性流动;水平剪位移与蠕变时间的关系说明了当受到相同的剪应力比时,未加筋和加筋试件表现出不同的行为,加筋试件在限制颗粒在剪切面内的相对运动优于未加筋试件;蠕变速率与剪应力比的关系证实了在蠕变过程中,剪切应力会导致剪切带中土粒间发生会持续累积的相对位移,最终导致试件沿剪切面破坏。颗粒间接触损失的连锁反应,伴随着黏性位移过大,蠕变抗力迅速减弱,最终加速蠕变位移,为揭示缓慢移动滑坡灾害的形成机理提供了关键证据。

基于修正Burgers模型对钢筋混凝土徐变的分析

为了研究不同配筋率对混凝土徐变性能的影响,本文对素混凝土、8 mm钢筋混凝土和10 mm钢筋混凝土进行了为期350 d的压缩徐变试验。将非线性黏性元件与经典Burgers模型串联,得到了修正Burgers模型。利用不同配筋率混凝土的徐变试验数据,对CEB-FIB(MC90)模型和修正Burgers模型进行拟合计算,从而得到了混凝土徐变拟合曲线。研究结果表明:钢筋能够有效地抑制混凝土的徐变,并且随着配筋率的增加,抑制效果进一步增强;与CEB-FIP(MC90)模型相比,修正Burgers模型的拟合结果更加准确,能更好地预测钢筋混凝土的徐变。

纤维加筋膨胀土的蠕变规律及模型预测

膨胀土是具有流变性质的灾害性土,其蠕变行为直接影响到工程结构的稳定性和安全性。为探究剑麻纤维加筋膨胀土的蠕变特性及应力-应变数学模型,采用室内固结排水三轴蠕变试验,分别进行了不同含水率、不同围压和不同偏应力条件下素膨胀土和剑麻纤维加筋膨胀土的蠕变特性研究,根据蠕变特征曲线提出了基于Mesri蠕变经验模型的剑麻纤维加筋膨胀土的修正蠕变模型。结果表明:相同条件下,剑麻纤维加筋土的蠕变变形量明显小于素土的蠕变变形量,说明掺入剑麻纤维可有效提高膨胀土的结构性能和抗变形能力;素土和剑麻纤维加筋土的蠕变变形量随含水率增大而增大,而随围压的增大呈减小趋势;素土和剑麻纤维加筋土在受到偏应力时均会产生瞬时应变量和蠕变变形量,其蠕变变形量随偏应力的增大而增大;素土和加筋土的蠕变曲线分4个阶段,分别为弹性变形阶段、稳态蠕变阶段、衰减蠕变阶段和加速蠕变阶段;高偏应力下,基于传统Mesri蠕变经验模型的剑麻纤维加筋土蠕变预测误差高达37.95%,对Mesri蠕变经验模型进行修正后预测误差降至1.5%内,说明修正模型能较好地描述剑麻纤维加筋土的蠕变特性。此研究结果可为膨胀土工程提供理论参考。

抚顺西露天矿泥岩蠕变特性试验及介观模型研究

为研究抚顺西露天矿边坡中泥岩蠕变特征,利用ITZ-1型三轴剪切仪,采用陈氏分级加载法对抚顺西露天矿边坡中的岩样进行蠕变试验,获得岩样蠕变曲线。对试验数据进行数值拟合得到改进的Burgers模型基本参数,在ABAQUS有限元分析软件中对改进的Burgers模型二次开发编写UMAT子程序。通过Python脚本结合Voronoi多边形法建立岩石介观结构模型,模拟得出岩样蠕变曲线,分析试验蠕变曲线及数值模拟得出的介观尺度损伤。研究结果表明:抚顺西露天矿边坡中泥岩具有减速和等速蠕变阶段特性,岩石介观模型模拟所得蠕变结果与试验结果误差较小,泥岩中沿轴向生长的介观结构更易发生损伤、破坏。所建岩石介观模型可以更精确地模拟岩石介观结构特征,为工程实际中的岩石力学仿真模拟提供参考。

岩石粘弹塑性本构关系及改进的Burgers蠕变模型

软弱岩石一般具有粘弹塑性共存特性,而典型的Burgers蠕变模型只能描述材料第三期蠕变以前的粘弹性规律,因此,本文基于Mohr-Coulomb准则,提出了新的塑性元件,该元件假定材料屈服后完全服从Mohr-Coulomb塑性流动规律。将该元件与典型的Burgers模型串联,形成了能模拟粘弹塑性偏量特性和弹塑性体积行为的改进型Burgers蠕变模型,推导了相应的粘弹塑性本构关系。给出了模型参数的求解方法,编制了相应的数据处理程序,并结合工程实例,对蠕变模型参数进行了拟合和加权平均取值。应用结果表明:试验曲线与理论计算曲线吻合,改进的Burgers蠕变模型能较好的描述岩石的蠕变特性。

低频循环荷载下盐岩轴向蠕变的Burgers模型分析

为了研究盐岩在低频循环荷载作用下的蠕变特性,采用恒轴压、循环围压的应力加载方式对盐岩开展了低频循环荷载蠕变试验。试验结果显示,当蠕变时间较短时,盐岩轴向蠕变曲线近似为平滑曲线,波动性不大;当时间增加到一定程度以后,盐岩变形随围压变化而发生明显的波动。总体来看,循环荷载下盐岩轴向蠕变曲线与Burgers模型蠕变曲线较为相似。将Burgers模型分解为Maxwell模型和Kelvin模型,忽略材料的疲劳效应,分别推导了恒轴压、循环围压应力加载方式下Maxwell模型和Kelvin模型的轴向蠕变方程,分析了荷载循环周期对模型蠕变性的影响规律;将循环荷载下Maxwell模型和Kelvin模型的轴向蠕变方程进行叠加,得到了循环荷载下Burgers模型的轴向蠕变方程,并利用盐岩蠕变试验结果对其合理性进行了验证。结果表明:拟合曲线和试验曲线吻合良好,该模型能够较好地反映盐岩在循环荷载作用下的蠕变特性和荷载变化对盐岩蠕变性的重要影响,特别是能够反映出不同荷载循环周期下盐岩变形随荷载变化而发生的明显的波动现象。

番茄果实蠕变特性表征的Burger's修正模型

针对经典Burger’s模型在蠕变特性表达中的不足,进行了绿熟期、变色期、红熟前期和红熟中期番茄果实的蠕变试验,并在Burger’s模型和常用指数型与幂函数型修正模型分析的基础上构造提出了4元件6参数修正模型。该模型对不同成熟期蠕变段试验数据拟合的平均决定系数与和方差分别达0.9975～0.9994和0.04047～0.07633,蠕变变形率和弹性度的拟合平均相对误差分别为2.54%～3.04%和2.89%～7.12%,蠕变量预测的平均相对误差为0.29%～0.46%,蠕变速率也与实际更加吻合,其曲线拟合精度、关键指标表达精度和蠕变预测精度大大优于Burger’s模型和常用修正模型。研究表明该模型实现了蠕变行为的更准确表征与预测,从而为果实收获、储运、分选的减损提供了更好的模型依据。

基于Burgers模型的岩石非定常蠕变模型

伯格斯(Burgers)模型适合用来描述岩石第三期以前的蠕变曲线。为了描述整个蠕变过程,可以考虑力学参数的时间效应,用非定常黏壶替换Burgers模型中的定常黏壶,给出一种非定常Burgers模型,并推导出它的蠕变柔量,实验数据拟合表明该模型能较好地反映岩石的试验曲线。

基于Burgers三维损伤蠕变模型的巷道围岩流变特性分析

为了解决传统蠕变模型无法反映加速蠕变阶段的问题,引进了Kachnov损伤理论,在Burgers模型上串联一个弹塑性损伤体。推导出了等围压三轴实验条件下轴向蠕变表达式,并用非线性拟合的方法来识别模型参数。经证明:在该损伤模型中,当岩石所受应力大于屈服强度时,将触发损伤体进入加速蠕变阶段,而岩石的全程蠕变规律可以通过线性与非线性蠕变叠加来进行描述。通过红砂岩蠕变实测曲线与理论曲线对比分析证实了该模型的合理性。此外,本文还推导出Burgers三维损伤蠕变模型在复杂应力条件下的本构方程,并通过拉普拉斯变换得到圆形巷道围岩变形规律的解析解。

基于修正Burgers模型的钢桥面铺装车辙有限元分析

为了准确预估钢桥面沥青铺装层的车辙深度,以南京四桥钢桥面铺装层为研究对象,采用了修正Burgers模型建立沥青混合料的本构关系,以单轴蠕变的试验数据拟合模型参数,并通过了ABAQUS有限元软件模拟车辙形成的过程。研究表明,对于浇注式沥青混凝土+高弹改性沥青铺装结构,车辙主要发生在浇注式沥青混凝土层,该层车辙深度占总车辙深度的63%。车辙随铺装层厚度增加而迅速增大,随轴载加大而增大,随荷位的变化尤其是横向荷位变化而有一定改变。车辙病害总体上随着环境温度升高而增大,但两者呈现突变的非线性关系。研究结果对同种类型沥青钢桥面的抗车辙设计、车辙预估、寿命预测具有一定的指导意义。

基于改进Burgers模型的片岩蠕变特性研究

云南省澜沧江流域发育有大量软硬岩互层的倾倒变形体,对于水电工程中近坝库岸边坡的长期稳定性存在巨大威胁。为了揭示倾倒变形体中片岩夹层的蠕变特性,采用YSJ-01-00岩石三轴流变试验机对片岩进行三轴压缩蠕变试验。结果表明,片岩初始蠕变速率随应力水平的抬升和围压的增加而增大,从0h-1到最高0.11h-1;偏应力14~18 MPa为片岩进入蠕变变形的阈值;片岩长期强度平均仅为其瞬时强度的0.69倍。在传统的Burgers模型的基础上,引入一个非线性粘塑性体,并基于S-M算法和通用全局优化法对蠕变试验曲线进行辨识,求解模型参数。对比试验曲线和拟合曲线,分析模型参数,从而证明改进的Burgers模型能够准确地描述片岩的蠕变特性。

坡积土石混合体蠕变特性的Burgers模型

为探明坡积土石混合体的蠕变特性,利用大型直剪仪对陕西省城固县某边坡的坡积土石混合体进行了剪切蠕变试验,重点研究了分级加载方式下坡积土石混合体的蠕变特性,建立了坡积土石混合体的Burgers模型并确定了其参数获取方式,并建议了在分级加载条件下获取分别加载蠕变终值的方法。结果表明:分级加载方式下土石混合体的蠕变规律呈衰减蠕变特性,且蠕变变形随着垂直应力的减小和剪切应力的增大而增大,不同垂直应力下的t/[ε(t)-ε(t0)]-t的曲线均呈高度线性,且拟合的直线方程斜率和剪切应力没有明显的相关性。本文提出的Burgers模型能够较好地模拟该地区坡积土石混合体的剪切蠕变特性。

基于Burgers四元件模型的索膜结构蠕变性能分析

索膜结构在一定的温度和恒定外力作用下会产生变形随时间增长而逐渐增大的现象,即蠕变现象,影响结构的使用价值,因而对索膜结构的蠕变性能的研究是至关重要的.文章利用描述粘弹性蠕变行为的Burgers四元件模型来模拟索膜结构的蠕变性能,推导出蠕变影响的有限元方程.同时,还利用ANSYS软件对索膜结构进行蠕变分析,得出了蠕变第一阶段曲线,为研究蠕变影响的应力应变分析提供了科学依据.

基于分数阶理论的软泥岩一维次固结蠕变模型

工程中因岩石蠕变而诱发的灾害屡见不鲜,其中的软岩蠕变在实际工程中也较为常见。为探讨软岩蠕变特性,并准确预测软岩蠕变变形,本研究首先对宁夏固原市隆德县的软泥岩进行了一维次固结蠕变试验,分析了一维次固结蠕变试验下软泥岩的蠕变特性;然后引入了分数阶理论的概念,推演能够描述非线性蠕变特征的分数阶Burgers模型本构方程;最后利用Matlab中lsqcurvefit算法对软泥岩一维次固结蠕变试验数据进行数值求解,分析了分数阶阶数对软泥岩一维次固结蠕变曲线的影响。蠕变试验表明:软泥岩蠕变机制符合固结蠕变中瞬时变形、固结变形、稳定变形三阶段,并呈明显的非线性特征,且原状、重塑试样在固结过程中均产生了较大程度的次固结蠕变,最大变形量可占总变形量的59%。数值模拟结果表明:分数阶Burgers模型能够更好地描述次固结蠕变的非线性特征;模型分数阶阶数γ有较强的敏感性,能够反映拟合曲线的弹性阶段及之后的非线性黏弹性阶段,而分数阶阶数β敏感性较差,仅能对黏弹性阶段的蠕变趋势做出细微反应。

非饱和滑带土非线性Burgers蠕变模型

基于非线性流变力学理论,建立了非饱和滑带土非线性Burgers蠕变模型。模型中不仅考虑滑带土非饱和特性-基质吸力对土蠕变特性的影响,同时考虑了与时间、应力状态有关的非线性黏滞体的流变特性,由非线性黏滞体替换Burgers模型中的线性黏滞体。对非饱和滑带土开展三轴蠕变试验,并对试验结果采用最小二乘法曲线拟合,获得了不同基质吸力下的蠕变参数,并将试验结果与Burgers模型拟合曲线以及提出的非线性Burgers模型拟合曲线进行对比。结果表明,采用非线性Burgers模型能很好地拟合试验结果,且与试验曲线的吻合程度、相关系数明显高于线性Burgers模型。