宏微观耦合本构模型参数识别取值范围研究

宏微观耦合本构模型的参数识别往往通过反分析方法进行,为了使参数识别结果具有高的置信度,需要确定合适的参数取值范围.基于动态再结晶过程的微观机理以及相应本构方程的数学特征,提出一个确定参数取值范围的方法.首先详细给出考虑动态再结晶的黏塑性本构模型,并根据模型构造物理机理,提出通过6步确定该模型参数取值范围的方法;其次,对300 M低合金钢进行不同温度、应变速率下的热变形试验,测试宏观的流动应力-应变数据及微观的组织数据;然后应用提出的方法,依据试验数据,确定参数取值范围;最后,基于确定参数取值范围中获得的知识,对模型进行局部修改,使模型模拟结果更接近实验结果.

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。

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。

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%。

基于机理法的考虑动态再结晶的黏塑性本构模型参数取值范围的确定

宏微观耦合本构模型的参数识别往往通过反分析方法进行,为了使参数识别结果具有高的置信度,需要确定合适的参数取值范围。基于考虑动态再结晶的黏塑性本构模型的物理机理,提出该模型参数取值范围确定方法。为了提高模型参数识别结果的鲁棒性,对考虑动态再结晶的黏塑性模型进行修改,使模型中的稳态流动应力由Tanaka模型描述。根据模型构造机理,提出通过6步确定该模型参数取值范围的方法;对300M低合金钢进行不同温度、应变速率下的热变形试验,测试其流动应力-应变曲线、再结晶体积分数、再结晶晶粒尺寸、未再结晶晶粒尺寸、最大晶粒尺寸差,基于流动应力-应变曲线,提取再结晶区稳态流动应力和未再结晶区稳态流动应力。通过提出的方法并应用相应的算法,根据提取试验数据,确定模型的参数取值范围,为参数识别提供基础。

复合改性双基推进剂黏弹性-黏塑性-黏损伤本构模型研究

为描述复合改性双基(CMDB)推进剂复杂的力学性能,推导出黏弹性-黏塑性-黏损伤本构模型。进行一系列蠕变-回复试验,获得了本构模型参数。通过不同应力水平和不同加载时间下的蠕变-回复试验和恒加载率-回复试验,验证了本构模型的有效性。结果表明:黏弹性-黏塑性-黏损伤本构模型能够预测CMDB推进剂的蠕变-回复响应和恒加载率-回复响应;与黏弹性-黏塑性本构模型相比,黏弹性-黏塑性-黏损伤模型对CMDB推进剂力学性能的预测能力明显提高;损伤变量随着应变增大,在经过缓慢增大和快速增大后逐渐趋于稳定,应变变化越慢,损伤变量越大,黏弹性-黏塑性-黏损伤模型和黏弹性-黏塑性模型的预测结果差别就越大。

秸秆类生物质成型热黏塑性本构模型构建

针对生物质颗粒生产能耗高、效率低的现状,该文从生物质组成角度,特别是木质素特性出发探讨其成型机理。秸秆成型过程由于内摩擦力的作用产生大量热量,温度的上升会造成木质素的软化,木质素的这一变化为纤维颗粒的团聚提供了黏结力。温度和木质素特性对生物质塑性成型性能产生巨大影响,是热黏塑变形过程。为研究生物质内部特性对塑性成型过程的影响,运用内时理论,以玉米秸秆、小麦秸秆和水稻秸秆为研究对象,构建了秸秆类生物质压缩成型内时本构方程。借助黏土流动理论,推导定义生物质黏塑性强化函数和核函数,运用数值分析和试验得出本构方程的系数。与试验数据相比较,基于内时理论的热黏塑性本构模型较好的模拟了生物质塑性流变过程。结果显示,向秸秆中添加20%的木质素,可有效提高其塑性流动性能,降低其在相同应变下的应力以及生产能耗;当成型温度在100~115℃之间,应变率在1×102~1×103 s-1之间,对于木质素质量分数分别为29%的玉米秸秆、33.5%的小麦秸秆和34.3%的水稻秸秆的固化成型性能最好。

非饱和土毛细滞回与变形耦合弹塑性本构模型

在修正剑桥模型的基础上,提出了一个非饱和土毛细滞回与骨架变形耦合的弹塑性本构模型。该模型考虑了基质吸力与饱和度对屈服应力的影响,可以同时描述非饱和土的弹塑性变形特性与毛细循环滞回效应。根据塑性体变的产生使非饱和土进气值增大的特点,建立了变形对土-水特征曲线影响的数学描述。该模型有效地考虑了饱和度对前期屈服应力的作用,准确地反映了土体在不同土-水状态条件下(脱湿和吸湿过程)强度特性的变化,而且还可以有效地描述水力循环历史对土体变形的影响。通过与试验数据对比,证明了该模型能够模拟非饱和土的主要力学特性。

堆石料流变的黏弹塑性本构模型研究

堆石坝流变变形主要是堆石料在环境因素作用下的劣化和高接触应力下的颗粒破碎重排引起的。在等向压缩方程中引入反映堆石料颗粒强度的固相硬度参数,选用双曲线型式的固相硬度衰减模型,以反映堆石料颗粒强度随时间劣化的特性;在分析堆石料流变试验结果的基础上,建立了流变变形的双曲线型流动准则;推导了流变变形的计算公式,并构建了流变模量表达式,从而建立了一个可统一考虑加载与流变过程的堆石料黏弹塑性本构模型。通过模拟两种典型堆石料的流变试验资料验证了模型的有效性。

典型生物质冷压本构模型及黏弹塑性影响因素

以Boltzmann原理为理论依据,对典型生物质进行冷压试验,结合成型过程各阶段的不同特征提出非线性黏弹塑性力学模型及本构模型并加以验证,结果证明该模型科学合理并具有一定通用性。分析本构模型黏弹塑性相关参数与生物质主成分(木质纤维素)各组分含量之间的关系表明,线性黏弹性当量黏度η_2和黏塑性表现黏度η_3随纤维素含量的增大而减弱,随半纤维素和木质素含量的增大而增强,且与半纤维素和木质素的交互作用成正相关关系。分析本构模型可知:冷压生物质的压缩量与压缩力、受压截面积、物料充型长度和加载速度相关,其中压缩力和物料充型长度与压缩量呈正相关,受压截面积和加载速度与压缩量呈负相关。

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.

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。

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。

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。

岩石类材料损伤黏弹塑性动态本构模型研究

针对岩石类材料的动态力学特性,基于损伤演化和元件模型理论,将岩石类材料视为由具有损伤特性、弹性特性、塑性特性及黏滞特性的非均质点组成,建立考虑损伤的黏弹塑性动态本构模型,并推导出本构方程的微分表达式。将下山单纯形法嵌入自适应混合遗传算法中,编制反演分析程序,在岩石冲击试验数据的基础上,确定出损伤动态本构方程的待定特征参数。利用确定出来的动态本构方程得到的再生应力–应变曲线与试验曲线之间有很好的一致性,从而可验证该损伤黏弹塑性动态本构方程的适用性。

一种黏弹塑性统一本构模型

经过对大量有关统一本构模型的文献资料分析，指出了现有统一本构模型存在的问题，并通过对材料实验数据的分析，指出了黏弹性现象在实验中的表现，并据此将黏弹性引入到弹性黏塑性统一本构模型［１］之中，建立了黏弹塑性统一本构模型；通过模型的数值模拟证明：模型计算结果无论在变形趋势上，还是在数值精度上都与实验数据符合得很好，克服了此前统一本构模型存在的问题．黏弹塑性统一本构模型的产生将统一本构理论的内涵扩大到黏弹性范围，进而构造了一个黏弹塑性理论的新框架．

土工格栅蠕变特性及其黏弹塑性损伤本构模型研究

首先通过土工格栅蠕变试验,比较分析了不同荷载水平下的土工格栅蠕变规律。对以往典型的土工格栅蠕变模型进行归纳分类,并将之与蠕变试验结果对比,评价它们的适用性与可靠性。在此基础上提出了一种土工格栅黏弹塑性损伤本构模型,并应用最优化方法求解模型参数,论证了其合理有效性。研究指出,以往研究所提三类典型的蠕变模型都只适合于描述低应力水平下的衰减模式蠕变,不适合描述高应力水平下的非衰减模式蠕变;土工格栅三参数黏弹性模型,能够较准确地反映土工格栅在低应力水平情况下的两阶段衰减蠕变特性;而考虑材料黏塑性变形以及损伤而建立的土工格栅黏弹塑性损伤模型,能够准确地反映其在高应力水平情况下的三阶段非衰减蠕变特性。

堆积软岩的黏弹塑性本构模型及其数值计算应用

堆积软岩的主要力学特性有应变软化、流变、受中间主应力影响等,为了尽可能完整地描述这些力学特性,提出一个全新的黏弹塑性本构模型。该模型基于下负荷面和tij概念,以超固结状态与正常固结状态之间的孔隙比差ρ为状态变量,并在该状态参量的演化律中引入非齐次函数,使模型能综合描述软岩的应变软化、流变和受中间主应力影响的力学特性。新模型仅比剑桥模型多了4个参数,而且4个参数都具有明确物理意义,可通过常规三轴试验确定。以降雨引起的软岩边坡的渐进性破坏为工程背景,用水土耦合有限元来探讨2种不同地下水位变化对边坡破坏的影响,从坡体的剪应变分布、位移矢量、破坏的传播等方面分析边坡的破坏机制。

热弹塑性土体本构模型及在多场耦合数值模拟中的应用

采用热等效应力的概念,提出一种新的热弹塑性饱和/非饱和土本构模型,其在正常屈服面以内仍然会发生塑性应变。该模型通过以饱和度和土骨架应力为状态变量,能够统一描述饱和、非饱和土体的热力学特性;还采用上下负荷面概念,考虑了土的结构和超固结发展特性。所提出的本构模型可以很好地展现饱和/非饱和土体在不同温度条件下固结压缩实验和三轴实验中的压缩和应力应变特性。将该模型导入土-水-气-热多场耦合有限元分析中,利用有限单元一有限差分法模拟了深层软岩加热高温试验。计算结果与试验结果吻合得很好,验证了所提出的本构模型与多相场耦合有限元方法的准确性,可尝试将其用于地热能开发与土体热力学特性的研究和模拟。

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.