基于触发式黏塑性元件的黏性土黏弹塑性动本构模型

基于黏性、弹性和塑性元件构造的动本构模型往往存在预测效果较差,不能完全反映黏性土的黏性、弹性、塑性的缺点。通过引入一种触发式的黏塑性元件Ψ,以残余变形为切入点,提出了一个考虑振动稳定和振动衰化现象的黏性土黏弹塑性动本构模型,并通过动三轴试验进行了验证。该动本构模型不但能够描述动荷载作用下黏性土残余应变的发展规律,且能合理地预测动应变的发展情况。结果表明,试样在动荷载作用下,存在元件Ψ的黏滞系数随振动周期增长而衰减的现象,且衰减情况和含水率密切相关。最优含水率是影响振动稳定和振动衰化现象的重要参数,当含水率小于最优含水率时,试样变形表现为振动稳定,此时元件Ψ黏滞系数的变化可以忽略不计;当含水率大于最优含水率时,试样变形表现为振动衰化,此时元件Ψ黏滞系数的变化不可忽略。

软岩三维弹黏塑性本构模型

为了有效地描述软岩的软化特征,首先推导了以压为正统一强度理论表达式,该理论可以考虑材料拉压强度不等及中间主应力效应,适合岩土工程界以压为正的使用习惯以及岩土材料拉压强度不等的特性;其次推导了以压为正统一强度理论π平面的极限线;第三,基于推导的π平面的极限线,结合Yin-Graham模型,推导了软岩的三维统一弹黏塑性本构模型表达式。根据针对取自日本石川县能登半岛端部的硅藻质泥岩所进行的不同围压、不同加载速率条件下的应变控制式和应力控制式固结不排水三轴试验资料确定了模型参数,进行了弹黏塑性数值模拟分析。并与三轴试验结果进行了对比分析,结果表明:本文建立的软岩三维统一弹黏塑性软化本构模型的数值模拟结果与试验结果非常接近,可以很好地模拟软岩的应变软化特征。

K_0固结软黏土的弹黏塑性本构模型

在修正剑桥模型基础上综合考虑了软黏土的各向异性及率相关性,建立了适用于K0固结软黏土的弹黏塑性本构模型。模型借鉴过应力理论的基本思想,定义了与动态加载面相对应的参考屈服面,应用径向映射准则将两者联系起来,流动函数通过分析一维情况下土体的体积蠕变速率得到。以黏塑性体积应变为硬化参数,将一维情况扩展到三维应力状态,直接用次固结系数描述土体黏性强弱,所有参数可通过压缩试验及三轴不排水剪切试验得到。分别计算了代表性等向和K0固结黏土的三轴不排水等应变率加载、不排水剪切蠕变及蠕变破坏过程,与试验结果进行对比,验证本文模型的有效可行性。

基于Mohr-Coulomb准则的黏弹-塑性海冰动力学本构模型

针对中小尺度下海冰动力作用过程中的漂移、重叠和堆积特征,在连续介质力学基础上建立了一个黏弹塑性海冰动力学本构模型.该模型主要包括四部分,即海冰在屈服前的Kelvin Vogit黏弹模型、海冰塑性屈服的Mohr Coulomb准则、屈服后相关联的正交流动法则和影响海冰强度的静水压力.采用黏弹塑性本构模型对规则海域内的海冰堆积过程进行了数值试验,其结果与传统黏塑性模型、改进的黏塑性模型和经典冰坝理论的解析解相符,可合理地模拟海冰堆积的动力过程.为进一步检验该黏弹塑性本构模型的适用性,对渤海海冰的动力过程进行了48h的数值模拟,计算结果与海冰卫星遥感现场观测资料一致.通过与传统的黏塑性和改进的黏塑性模型结果的对比分析,进一步验证了黏弹塑性模型在中小尺度海冰动力学模拟中的可靠性.在以上海冰堆积的数值试验和渤海海冰动力学模拟中均采用了光滑质点流体动力学(SPH)方法.

循环荷载作用下粉细砂累积变形的等效黏塑性本构模型

提出了适用于长期循环荷载作用下粉细砂累积变形计算的等效黏塑性本构模型及数值模拟方法。该模型基于经典弹塑性理论框架及结构安定理论,考虑了砂土材料的双屈服面及剪胀性特征,引入塑性应变随加载次数的增量表达式,预测粉细砂土材料累积不均匀变形。通过粉细砂的动静三轴试验确定模型参数,并研究了砂土累积变形规律。数值模拟结果表明,该模型对于粉细砂长期循环累积塑性变形具有良好的模拟能力,而且计算步长可任选取,适用于长期循环加载的计算。

一种实用的土体统一弹塑-黏塑性本构模型

针对以往本构模型或过于简单而不能全面描述土体的性质,或过于复杂而不便于应用的问题,以非线性弹性、弹塑性、艳正曼辛准则及Singh-Mitchell蠕变模型为基础,并将曼辛准则扩展至三维,建立了一种简单实用而又能同时合理地考虑土体非线性、动力滞回和流变特性的统一弹塑-黏塑性本构模型.通过试验模拟,验证了该模型的合理有效性.

岩石软化时效变形的弹黏塑性模型表征

为同时描述岩石应变软化以及时间相依的变形特征,基于超固结土的下负荷面模型,依据相对过应力思路,以Hashiguchi的下负荷面为参考屈服面,建立一种能表征岩石软化时效变形特征的弹黏塑性本构模型。相对于原下负荷面模型,新模型增加了2个能通过不同应变速率三轴压缩试验测定的率敏性参数c0和m',并结合岩石的特点用弹性模量E0和变形模量Ed代替原模型中的回弹指数κ与压缩指数λ。新模型采用以当前应力、黏塑性应变以及黏塑性应变速率为状态变量的动屈服准则函数,给出了基于Newton-Raphson迭代的应力积分算法,且成功地将其嵌入到大型有限元软件ABAQUS中。利用新模型对岩石率敏性三轴试验进行模拟验证,结果表明:预测结果与试验结果吻合良好;模型参数物理意义清晰、简单可测,能正确描述岩石的率敏性及应变软化等特征,可用于复杂边值问题的有限元计算。

基于内时大变形弹塑性本构模型的回弹和二次屈服分析

采用了一个由简单机构建立的材料热力学一致性弹塑性大变形本构模型,该模型满足热力学基本的不可逆约束条件,并考虑到了储存在残余微应力场中的能量,用相应的算法,编制了一个用户子程序UMAT,并将其嵌入到商用软件ABAQUS中,对圆柱形工件在弹性工具中镦粗和闭合模镦粗时的回弹和二次屈服进行了分析。比较模拟和实验所测得的载荷-位移关系,可以看出在镦粗的第一阶段发生塑性变形,工件在轴向加载过程中产生的横向变形受到了由于模具的弹性变形引起的径向约束,载荷迅速增加;第二阶段轴向压力减少,模具回弹使得工件的径向变形得以恢复,但随着塑性应变的增加,发生工作强化;第三阶段模具约束解除,工作的径向尺寸增加。用该本构模型对闭合模镦粗过程的计算,表明计算结果与实验结果是一致的。

砂土液化大变形本构模型的三维化及其数值实现

基于砂土液化大变形机理和适用于二维条件的边界面弹塑性本构模型,发展了符合三维应力空间中边界面和剪胀面上的应力映射规则,建立了三维应力空间中砂土液化大变形本构模型。针对模型特点采用半显式的Cutting Plane算法进行应力积分,并采用Pegasus求根算法根据映射规则计算边界面上的应力映射点,在OpenSees开源有限元平台上实现了三维模型的数值化。结合完全耦合的u-p格式有限元单元,对饱和砂土不排水循环扭剪试验进行了模拟,并进行了一个真三维倾斜地基的动力反应分析。计算结果表明模型和所采用的数值算法具有很好的模拟和分析三维条件下砂土液化后大变形的能力。

沥青混合料永久变形的弹黏塑-损伤力学模型

对Burgers模型中串联黏壶进行了改进,并将改进模型看成是由三单元Van Der Poel模型与黏塑性元件串联组成.综合运用黏塑性力学和损伤力学理论,同时引入应变硬化变量和损伤软化变量,建立了基于应变硬化理论的沥青混合料损伤蠕变模型.再采用半正矢波间歇荷载模拟实际路面轮载作用,推导了重复荷载作用下沥青混合料永久变形的弹黏塑性损伤力学模型.根据室内重复荷载永久变形试验结果,运用最小二乘法原理,得到了弹黏塑性损伤力学模型的相关参数,并对该模型进行了验证.验证结果表明,该模型可以全面、统一地描述沥青混合料永久变形的三阶段特性.

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%。

考虑基质吸力的非饱和土弹黏塑性本构模型

为了描述可控基质吸力下的非饱和土时效变形特征,提出一种考虑非饱和土基质吸力影响的弹黏塑性本构模型。新模型借鉴BBM模型对压缩特征曲线进行修正,给出非饱和土的压缩指数与基质吸力的关系函数,并将该指数引入到能描述土体超固结的下负荷模型,得到非饱和土的修正下负荷面;又以该下负荷面为参考屈服面,利用相对应力关系,建立了非饱和超固结土的弹黏塑性本构模型,并通过非饱和的三轴率敏性试验确定新模型中两个时效参数m′和c_(0)。结果表明:①模型能较好地表征非饱和土超固结比、基质吸力对其变形特征的影响;②由非饱和土的三轴率敏性试验确定的模型参数能较好地模拟其蠕变等时效变形。

高温三维应力下花岗岩三维蠕变的模型研究

采用中国矿业大学的"20MN高温高压岩体三轴试验机"进行高温三维应力下大尺寸φ200mm×400mm鲁灰花岗岩蠕变特性的试验研究,温度最高达600℃,轴向应力最高达175MPa。研究发现:(1)三维应力条件下鲁灰花岗岩300℃,500℃的轴向蠕变和300℃,500℃,600℃的体积蠕变变形均可划分为:瞬态蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段。(2)高温三维应力条件下,鲁灰花岗岩试样的体积、长度和半径随蠕变时间的增加出现增长,这是因为热破裂引起岩石的内部产生了大量的微裂纹,同时还发现试样的侧向比轴向变形增长的速度变形快。(3)以试验结果为依据将静水应力引发体积蠕变,差应力引发轴向蠕变作为三维应力状态下黏弹塑性问题的假设,导出三维应力条件下Burgers体模型体积蠕变的本构方程。(4)通过对蠕变曲线的分析发现,可以用Burgers体模型来模拟鲁灰花岗岩300℃,500℃的轴向蠕变和300℃,500℃,600℃的体积蠕变,并且求出模型的参数。

非饱和压实土率相关变形特征与时效模型

为研究高填方路堤压实土率相关变形特征,对不同压实度的非饱和压实土分别开展了不同加载速率以及不同围压条件下的CD三轴剪切试验,探讨了不同工况下压实土的剪切强度指标;借助GDS饱和土静态三轴仪的围压控制器来间接测定非饱和压实土体变的途径。试验结果表明:压实土强度及变形特征具有明显的时间相依性,加载速率越大,压实土的抗剪强度越高,超固结变形特性越强,抗剪强度指标黏聚力c值增幅较大、内摩擦角φ值增幅较小;低围压下,压实土呈应变软化及剪胀变形,且压实度越高,应变软化及剪胀变形越显著,c值增加明显、φ值增加缓慢。采用基于下负荷面的弹黏塑性本构模型对路基压实土的率相关变形特征进行表征,预测结果与试验数据吻合良好,表明该模型适用于高填方路堤长期沉降分析。

率相关本构模型的临界状态描述

临界状态是土的重要破坏特征,是当今许多土本构模型建立的基础。由于工程和试验中不能忽略时间因素,临界状态实际上是土在一定的时间作用下或者说一定的加载速率作用下表现出的破坏规律。率相关本构模型作为考虑了时间对土应力-应变关系影响的本构模型,理应可以描述临界状态。通过使用较为常用的率相关本构模型——过应力弹黏塑性模型对三轴不排水和排水剪切进行预测,探讨了这些模型对临界状态的描述情况。预测结果表明:(1)第1类过应力弹黏塑性模型(该模型认为屈服面是黏塑性体积应变率的等值面)计算所得的三轴不排水应力路径在临界状态线的下方出现应变软化,并且应力路径趋向于坐标原点,不能终止于临界状态;(2)第2类过应力弹黏塑性模型(认为屈服面是黏塑性标量因子的等值面)在对高应变率三轴排水剪切进行预测时,所得的最终应力比超过临界状态应力比;(3)第3类过应力弹黏塑性模型,亦即时间UH模型(认为屈服面是统一硬化参量变化率的等值面,并认为土产生应力塑性变形)在三轴不排水和排水剪切条件下均能较好反映临界状态。通过3种模型的公式分析了前述预测结果产生的原因。

土的三维弹黏塑性应力路径本构模型

基于土的等向压缩规律,将变形分解为瞬时变形和延时变形,参考UH模型中瞬时变形和延时变形的计算方法,发展一个土的一维EVP模型。在土的应力路径本构模型基础上,考虑超固结比和剪应力比对瞬时塑性变形的影响;结合过应力理论和修正剑桥模型塑性势函数将一维应力状态下的延时变形规律拓展到三维应力状态。提出三维应力状态下瞬时和延时变形的计算方法,进而建立的三维EVP应力路径本构模型。分析7个材料参数的物理意义,并给出材料参数的确定方法。通过与试验结果的比较表明,所建立的三维模型可合理地描述黏土和砂土的黏性特性,尤其是可同时描述土体开挖时应力比加载条件下土体变形的时间效应、应力路径相关性等。

H62铜合金本构模型构建及游动芯头拉拔力影响分析

以H62铜合金为实验材料,进行不同应变率下的单向拉伸试验。采用唯象建模方法建立铜合金的本构模型。通过二次开发,将本构模型导入MARC,以拉拔速度为实验参数,对游动芯头拉拔过程进行数值模拟。结果表明:利用强化系数与黏性系数建立的本构模型,对不同应变率下单向拉伸实验数据拟合效果较好,弹黏塑性模型对不同应变率下拉伸成形具有较好的适用性;随着拉拔速度增加,拉拔力逐渐增大,但增加的幅度较小。

土的负蠕变特性及其本构模型

蠕变是指有效应力不变的情况下,变形随时间的发展。土力学中,蠕变往往指压缩蠕变,如山区机场高填方工程中填方区的工后沉降。然而,高填方工程中有时还需要对山体进行大体积深开挖,以得到大面积的平整场地。开挖后,土体的膨胀变形不能在短时间内稳定,而是随时间继续发展。将这种随时间发展的膨胀变形定义为负蠕变,相对应地,将压缩蠕变定义为正蠕变。试验表明,正、负蠕变都有趋于稳定的趋势。因此可以假设,在e–lnp空间中,当时间足够长时,不论发生正蠕变还是负蠕变,土体都稳定在一条平行于正常压缩线的直线上,这条线为稳定线。在上述概念的基础上,提出了一个可以合理地描述土的负蠕变效应的一维计算公式,结合UH模型,建立了考虑负蠕变效应的UH模型。最后,将模型预测结果与三轴不排水剪切正负蠕变试验结果进行了对比,验证了模型的正确性。

基于热-水-力数值模拟的饱和正常固结黏土热压缩现象

既有饱和正常固结土体加热试验研究表明,温度升高时,土体的体积变化表现为体积收缩,这与热胀冷缩基本通识相违背。针对这一问题,通过热-水-力(THM)完全耦合有限元程序对饱和正常固结黏土的加热试验进行了数值模拟。结果表明,由于黏土的热传导系数及渗透系数都比较低,在升温过程中,试样内部会形成温度差,进而产生超孔隙水压,随着超孔隙水压的消散,最终使土体表现为热压缩现象。当增大土体的渗透系数时,土体内部不产生超孔隙水压,这时土体表现为热膨胀。因此,饱和正常固结土体升温引起的热压缩现象并非土体基本力学特性,而是一个边界值问题。

考虑孔隙水压的岩体蠕变本构模型

采用理论与试验相结合的方法,提出了一个能够反映岩石蠕变全阶段过程的非线性弹黏塑性模型,建立了能够考虑孔隙水压的岩体蠕变本构方程,研究了孔隙水压对岩石蠕变的影响规律.研究表明:随着孔隙水压的增大,岩石出现加速蠕变的时间缩短,且加速蠕变阶段对应的加载应力减小;随着孔隙水压的增大,岩石加速蠕变过程曲线斜率增大,说明其蠕变加速度随着孔隙水压的增大而增大.结合三轴蠕变试验所得数据,利用MATLAB软件得到了孔隙水压作用下岩石加速蠕变的整个过程曲线,通过对比拟合曲线和试验曲线,验证了该模型的准确性.