土的内变量蠕变模型研究

土的蠕变是指在常值应力作用下土的变形随时间而持续增长的现象。沿用传统连续介质力学理论,在土蠕变性质的研究中,人们普遍采用与时间相关的蠕变速率描述土的蠕变行为。然而在工程实际中,土体往往要经历复杂的加卸载过程,并经历不同应力应变状态下的蠕变过程。在此复杂条件下,各个蠕变过程的土的内部结构不同,继续采用传统连续介质力学理论描述土的蠕变行为就遇到了困难。与传统连续介质力学理论不同,内变量理论是一种采用材料内部结构变量(即内变量)描述材料性质的一种理论。据此,提出了土的内变量蠕变模型,该模型采用土的不可恢复应变作为土变形过程中的内变量。模型不但可以反映土所受外部荷载对蠕变行为的影响,而且可以反映材料的内部结构变化对蠕变行为的影响。为验证模型的合理性,开展了复杂条件下砂土和黏土的蠕变性质试验,详细讨论了应力和不可恢复应变对土蠕变性质的影响。此外,还讨论了内变量蠕变模型与传统幂函数蠕变模型参数之间的关系,并提出了一种可以加快蠕变试验的方法。通过研究发现:土的内变量蠕变本构模型可以反映复杂条件下土的蠕变性质。

岩石内变量蠕变模型研究

通过一系列砂岩、页岩和辉绿岩室内蠕变试验,获得了不同应力和初始应变状态下岩石蠕变特性。通过误差分析讨论了计算蠕变速率时如何选择时间增量。讨论了复杂加、卸载条件下时间相关蠕变模型的局限性,提出采用不可恢复应变作为内变量来描述复杂条件下岩石蠕变性质,并据此提出了岩石的内变量蠕变模型。试验数据与模型拟合结果对比表明,内变量蠕变模型较好地反映了3种岩石的蠕变行为。此外,还初步讨论了模型在岩石率相关性质研究中的适用性,并利用相关试验数据进行了验证。

深部隧道围岩分区破裂的内变量梯度塑性模型

在变形进入到塑性阶段之后,隧道岩体中会产生显著的能量耗散和自我组织现象,岩体粒子之间的长程相互作用明显。为此需要在岩体模型中加入内变量梯度项。作为额外的内变量,引入有效塑性应变梯度这一新变量。利用虚功原理得到岩体的平衡方程、边界条件。利用Clausius-Duhem不等式获得岩体内变量演化方程。对于圆形深部隧道,由上述理论得到有效塑性应变的支配方程和边界条件,并利用岩体理想脆性模型求得支配方程的解。该解能够描述深部隧道围岩的分区破裂现象。

基于内变量理论的岩土材料本构关系研究

通过对基于经典弹塑性力学本构理论的岩土材料本构关系的分析,讨论了经典弹塑性力学本构理论存在的问题及局限性.根据现代连续介质力学热力力学原理和内变量理论,给出岩土材料本构关系中屈服函数的物理意义、屈服函数和耗散函数之间的关系;给出一种新的确定岩土材料弹塑性本构关系的方法.根据这一新方法推导了增量型本构关系的弹塑性矩阵,给出了塑性应变增量的表达式,证明了弹塑性耦合下的广义正交法则.说明了基于内变量理论的岩土材料弹塑性本构关系需要进一步探讨的问题.

非饱和土毛细滞回内变量模型的修正

土-水特征关系是基质吸力和含水率之间关系。在反复干湿循环路径下土-水特征曲线呈现出毛细滞回特性。基于毛细滞回内变量理论和传统的土-水特征关系经验模型,提出了能模拟在任意干湿循环路径下土-水特征关系的修正模型。该模型比原模型增加了一个可逆参数,考虑了含水率的可逆变化,使扫描线在靠近边界线的时候斜率不会无限大,同时保留了原模型精度。通过与文献中的试验结果进行比较,修正模型可以更好地模拟非饱和土的土-水特征关系的循环滞回特性,并讨论了可逆参数的确定方法。

考虑损伤的内变量黏弹--黏塑性本构方程

基于Rice不可逆内变量热力学框架,在约束构型空间中讨论材料的蠕变损伤问题.通过给定具体的余能密度函数和内变量演化方程推导出考虑损伤的内变量黏弹--黏塑性本构方程.通过模型相似材料单轴蠕变加卸载试验对一维情况下的本构方程进行参数辨识和模型验证,本构方程能很好地描述黏弹性变形和各蠕变阶段.不同的蠕变阶段具有不同的能量耗散特点.受应力扰动后,不考虑损伤的材料系统能自发趋于热力学平衡态或稳定态.在考虑损伤的整个蠕变过程中,材料系统先趋于平衡态再背离平衡态发展.能量耗散率可作为材料系统热力学状态偏离平衡态的测度;能量耗散率的时间导数可用于表征系统的演化趋势;两者的域内积分值可作为结构长期稳定性的评价指标.

金属内部微裂纹愈合内变量及其演化分析

裂纹愈合是一个不可逆的热力学过程。笔者在连续介质热力学框架内,由热力学第二定律推导出裂纹愈合耗散不等式,定义了描述金属材料内部裂纹愈合过程的热力学内变量H。以铜单晶为例,依据分子动力学模拟结果对铜单晶内部微裂纹愈合过程中愈合内变量的演化趋势进行了定量分析。

含两类内变量的一种非线性粘弹性本构模型

提出了描述非线性粘弹性材料微损伤演化的两类内变量，一类是描述粘性耗散的内变量，它服从Ｏｎｓａｇｅｒ原理；另一类是描述损伤耗散的内变量，它不服从Ｏｎｓａｇｅｒ原理，而由细观力学的规律确定．并在此基础上构造了一个含两类内变量的自由能密度函数。

描述裂纹愈合过程的内变量

在连续介质热力学框架内,以热力学第二定律为出发点,推导出裂纹愈合耗散不等式,确定了描述裂纹愈合过程的热力学内变量H的定义形式.裂纹愈合过程内变量的提出,不仅可以将裂纹愈合过程模型化,而且还可以建立裂纹愈合过程的演化方程和本构方程,为裂纹愈合过程的定量分析提供可能性。

进气值对毛细滞回内变量模型的影响

土-水特征关系是基质吸力和含水率之间的关系。进气值对起点在高饱和度区的脱湿扫描线有较大的影响。Wei等[1]提出了毛细滞回内变量模型,可以对扫描线任意滞回情况进行模拟,但该模型没有考虑进气值的影响,对起点在高饱和度区的脱湿扫描线的模拟与实际情况有一定偏差。基于毛细滞回内变量理论和传统的土-水特征关系经验模型,提出了考虑进气值影响的修正毛细滞回内变量模型。该模型可以考虑进气值对起点在高饱和度区的脱湿扫描线的影响。通过对多种土样的数值模拟计算显示,修正模型较好地解决了原模型对起点在高饱和度区的脱湿扫描线的模拟不能考虑进气值影响的缺点。

基于内变量损伤模型的复合材料板的非线性动力响应

基于Talreja复合材料张量内变量损伤模型,建立了复合材料单层板平面应力问题的损伤本构关系,进而获得了层合板的损伤本构方程及非线性动力学方程,且应用有限差分法和迭代法进行求解.数值结果表明,考虑结构的损伤和损伤演化时,结构的非线性动力响应将发生显著的变化.

基于内变量和张量函数表示定理的本构方程

针对各向同性材料,基于张量函数表示定理,建立了本构关系的张量不变性表示,其中,3个不可约基张量取决于应力的0～2次幂,且相互正交,3个系数由塑性应变增量和应力的不变量表示。基于塑性应变增量的不变量定义内变量,本构关系归结为确定内变量的演化。使用张量函数表示定理,给出了内变量演化方程的一般表达式,它取决于应力不变量的增量,因而与主轴旋转无关。讨论了如何根据试验资料和引入适当的假定,确定具体的演化方程。通过与塑性势理论和多重屈服面理论进行比较,表明所建模型是这些理论的最一般表示,且简捷直观、使用方便。

基于内变量损伤模型的复合材料板的后屈曲分析

基于Talreja张量内变量损伤模型,建立了复合材料单层板平面应力问题的损伤本构关系,进而导出了具初始挠度的考虑损伤效应的复合材料单层板的非线性压屈平衡方程。然后,将未知函数在空间上应用有限差分法离散,在时间上等分为小的时间段,且所有非线性项被线性化,整个问题采用迭代法求解。数值结果表明,损伤将导致结构刚度不断削弱,板的后屈曲变形将随着时间的增加而增加。

毛细滞回内变量模型的高效数值积分方法

毛细滞回内变量模型是基于热动力学基本原理推导出来的土水特征本构模型,能够有效地描述干湿循环情况下非饱和土中的毛细滞回现象.研究了该模型的形式特点和数值积分方法,就经典的Euler法、4阶Runge-Kutta法和4阶Adams-Bashforth法的积分效果进行了对比.计算结果表明,Euler法精度很低,累计误差较大;4阶Adams-Bashforth法精度最高,且运算效率高于同阶的Runge-Kutta法,适合对该模型进行求解和参数标定.将基于Adams-Bashforth法的子程序集成到有限元程序中,两相渗流模拟结果的精度有了较大提高.

考虑温度效应的冻结黏土内变量蠕变模型分析

在冻结法施工中掌握冻土的蠕变特性对工程的安全评价至关重要。采用山西某矿井深部黏土,在负温条件下进行原状土单轴压缩试验与分级加载蠕变试验,研究冻结黏土破坏时的形态、一系列温度下的单轴抗压强度与蠕变曲线的形式。试验得出单轴抗压强度随温度降低呈线性变化,同一加载应力下的蠕变值随着温度的降低而减小。引入内变量理论并将应变作为内变量来描述冻土的蠕变特性,分析蠕变与蠕变率取对数的拟合曲线发现两者具有线性关系,进而建立只与温度和加载系数有关的内变量蠕变模型,模型参数可通过拟合曲线确定。将蠕变的计算值与试验结果对比,发现该模型可以较好地反映冻结黏土的蠕变,且模型参数少,便于工程应用。

考虑微观结构特征长度演化的内变量黏塑性本构模型

在金属晶体材料高应变率大应变变形过程中,存在强烈的位错胞尺寸等微观结构特征长度细化现象,势必对材料加工硬化、宏观塑性流动应力产生重要影响。基于宏观塑性流动应力与位错胞尺寸成反比关系,提出了一种新型的BCJ本构模型。利用位错胞尺寸参数,修正了BCJ模型的流动法则、内变量演化方程,引入了考虑应变率和温度相关性的位错胞尺寸演化方程,建立了综合考虑微观结构特征长度演化、位错累积与湮灭的内变量黏塑性本构模型。应用本文模型,对OFHC铜应变率在10^-4～10^3 s^-1、温度在298～542K、应变在0～1的实验应力-应变数据进行了预测。结果表明：在较宽应变率、温度和应变范围内,本文模型的预测数据与实验吻合很好;与BCJ模型相比,对不同加载条件下实验数据的预测精度均有较大程度的提高,最大平均相对误差从9.939%减小为5.525%。

基于内变量理论的电流变液本构关系

研究了电流变液的微结构本构关系· 其理论框架是基于内变量理论和机理的分析· 电流变液是由高介电常数的颗粒悬浮在某种液体中组成的· 在电场作用下 ,极化的颗粒将沿着电场方向聚集在一起形成链状结构· 颗粒聚集体的大小和方向将随外加电场和应变率的变化进行调整 ,因而可以通过建立起能量守恒方程和力平衡方程来确定颗粒聚集体的大小和方向的变化· 那么 ,一个三维的、清晰的本构关系可以由相互作用能和系统的耗散能导出· 具体考虑和讨论了在简单剪切载荷作用下的系统响应 ,发现电流变液的切变剪薄粘滞系数同系统Mason数之间近似于幂指数 ∝ (Mn) - 0 82 的关系·

线性非平衡系统的内变量涨落

推导并给出了线性非平衡系统的内变量涨落的均方差公式，给出了稳定性条件、讨论了相应的均方差、熵平衡方程以及弛豫时间等热力学参量之间的关系。

对“关于‘基于内变量和张量函数表示定理的本构方程’的讨论”的答复

读过＂关于《基于内变量和张量函数表示定理的本构方程》（以下简称原文）的讨论＂一文（以下简称讨论文）,现回复如下：

关于“基于内变量和张量函数表示定理的本构方程”的讨论

发表在《岩土力学》2010年第31卷第2期上的《基于内变量和张量函数表示定理的本构方程》一文（以下简称原文）[1],未能反映出塑性本构理论的特殊规律,为此希望与原文作者进行学术讨论。