基于西原模型的圆形隧道黏弹-黏塑性解析解

基于西原模型,假设黏塑性体的偏应变张量的一阶导数与瞬态偏应力张量和稳态偏应力张量之差成正比,得到围岩黏塑性区的本构方程。采用拉普拉斯变换与逆变换,推导了圆形隧道黏弹-黏塑性解析解。当t?0时,该解退化成线弹性本构模型的解答;当t??时,该解退化成理想弹塑性本构模型的解答。通过工程实例,分析了围岩位移场、应力场和黏塑性区半径随时间的变化规律。当支护力保持不变时,围岩不同位置位移、围岩黏塑性区半径将随时间增长而持续增大并趋于稳定;围岩黏弹-黏塑性特征对径向应力和黏弹性区切向应力影响较小,对黏塑性区切向应力影响较大,越靠近洞壁处,切向应力随时间变化越剧烈。此外,不同支护力作用下洞壁处的切向应力在支护初期均较大,因此应采用及时支护的策略;考虑到围岩黏弹-黏塑性特征对支护力的影响,建议采取让压支护技术以保证围岩和衬砌的稳定性。

软岩巷道的弹-黏塑性分析

软岩巷道围岩体具有明显的大变形、大地压、长时间持续流变的特性,这使得软岩巷道尤其是衬砌支护之后巷道的大变形研究及控制机理成为复杂的力学问题.本文利用围岩与支护的接触条件,运用弹-黏塑性理论研究了软岩巷道问题,并探讨了巷道位移、支护阻力与黏性系数和时间的关系.研究结果显示:黏性系数越小,时间对于软岩巷道变形影响越大;增大围岩的黏性系数将会减小巷道的变形.

基于实测变形的雾江滑坡体弹-黏塑性参数反馈

雾江滑坡位于涔天河水库扩建工程库首右岸的雾江峡谷进口段,下游边坡距大坝仅300余米,是一个典型的古滑坡,滑坡总体积为1 327×10~4 m^3,雾江滑坡稳定与否严重影响到大坝及泄水建筑物的运行与安全。首先分析了滑坡体实测位移;接着针对滑坡体处于缓慢蠕滑过程中,采用极限分析法,假定安全系数为1.0,反演了滑坡体的强度参数;然后选取滑坡体内部钻孔观测位移年蠕滑率,假定滑坡体满足莫尔-库仑屈服准则,由Perzyna假设计算黏塑性应变率,结合滑坡体典型剖面有限元模型,采用弹-黏塑性有限元计算程序进行滑坡体分析,将正交设计法和优化算法相结合,反演获得滑坡体和滑带的弹性模量和黏滞系数,为进行该滑坡堆积体的稳定变形分析和监控提供了依据,也可为同类工程参考。

基于D-P准则和西原模型的圆形隧道黏弹-黏塑性解

为了较好地描述圆形隧道开挖后围岩的流变特性,假设围岩本构模型为西原模型,选用Drucker-Prager屈服准则,考虑塑性区的黏性与剪胀特性,推导了圆形隧道开挖后围岩塑性区半径、应力、位移的理论解。当剪胀角ψ=0°时,这些解答转化为体积不变假设下基于Mohr-Coulomb准则和西原模型的黏弹-黏塑性解。通过具体算例,分析了剪胀角对塑性区半径、洞壁位移和应力场的影响。将黏弹-黏塑性位移解和黏弹-塑性位移解进行了对比分析。结果表明:围岩达到稳态之前,剪胀角对应力场和塑性区半径影响较小,对洞壁位移影响较大。稳态围岩的应力场和塑性区半径与剪胀角取值无关。稳态围岩洞壁位移随着剪胀角的增大有较为明显的增加。塑性区的黏性特性对围岩的稳态应力没有影响,对围岩的稳态洞壁位移有较大的影响。剪胀角较大时,应考虑塑性区的黏性,否则会低估稳态围岩洞壁位移。研究结果对实际工程有一定的参考价值。

考虑应力路径的深埋高地温隧洞黏弹-塑性围岩解析解

高地温深埋水工隧洞黏弹-塑性岩体中,由于高温环境的影响和隧洞降温等,致使围岩产生一定的温度应力。因此研究高地温隧洞围岩解析解时必须研究温度应力对围岩塑性区以及应力应变的影响。基于广义Kelvin模型与Bingham模型组成的高地温深埋水工隧洞黏弹塑性围岩力学模型,并在考虑应力路径对围岩与支护的影响下,结合高地温环境中温度应力对围岩与衬砌的影响,进而推导高地温环境热力耦合作用下围岩应力、应变、洞壁位移以及围岩塑性区半径的解析解。基于新疆某高地温水工隧洞工程进行分析与计算,对温度、围岩应力应变及塑性区半径的关系展开理论计算与分析。结果表明:考虑温度应力后计算得到的围岩位移更小。当隧洞内温度变化到达一定量时,所产生的温度应力可能会对围岩与衬砌相互作用的稳定性产生影响。

利用黏-弹-塑性模型对磁流变阻尼器动力学性能预测与分析

为了建模合适的参数模型来描述阻尼器的动态输出特性,发挥磁流变阻尼器工程应用中的半主动控制优势。本文的研究在激励频率和振幅为5 Hz和10 mm条件下,利用振动系统测试磁流变阻尼器在不同激励电流下得到动态输出特性,在此基础上利用黏-弹-塑性参数模型,采用果蝇优化算法对所有电流下的实测结果进行预测并对其结果展开分析讨论。研究结果表明该阻尼器的输出力能够跟随外部位移随时间变化情况;阻尼力随激励电流增大表现出先缓慢增大后显著增大的特性,这表明该阻尼器具有依赖输入电流的可控性,为实现工程应用中的半主动控制提供条件。并讨论了产生这种现象的原因在于不同电流下颗粒于基体间的相互作用。预测结果表明利用果蝇优化算法,黏-弹-塑性参数模型能够很好的描述实测结果。

考虑纵向施工的深埋软岩隧道黏弹-塑性时效解析

软岩通常具有较强的蠕变性,深部软岩隧道的围岩收敛和支护受力往往表现出明显的时效特性。因此,考虑隧道掌子面推进的同时,运用流变理论对深部软岩隧道的围岩应力变形时效规律进行分析具有重要意义。研究针对深埋软岩中圆形隧道的纵向开挖过程,同时考虑掌子面推进引起的应力释放效应和围岩自身的蠕变性,推导出隧道纵向施工中围岩应力变形的黏弹-塑性时效解。解答中假定围岩服从Burgers-MC黏弹-塑性模型(CVISC),隧道纵向为连续不间断开挖。基于所提出的理论解,对新疆特克斯软岩隧道开挖过程中的围岩变形应力进行了初步预测和分析;同时,通过对比FLAC数值模拟结果和现场监测数据,验证了解答的正确性和可靠性。进一步,基于解答深入研究深部黏弹-塑性软岩中隧道围岩的应力、变形及黏塑性区域随时间和开挖过程的演化规律。研究结果表明:黏弹性区和黏塑性区边界上应力是定值,与黏塑性区大小无关;在隧道开挖阶段,应力释放引起的围岩位移占主要成分,后期应力释放完成后,围岩蠕变变形占主要部分。本解答为深埋软岩隧道施工过程中的围岩收敛变形和应力预测提供了理论方法。

改性双基推进剂黏弹-黏塑性本构模型

为了表征改性双基推进剂的力学行为,推导出改性双基推进剂黏弹-黏塑性本构模型。利用一系列蠕变-回复试验,将材料的总应变分离为黏弹性应变和黏塑性应变,使用最小二乘法获得了黏弹性参数,使用Nelder-Mead单纯形优化算法,结合后向Euler数值方法获得了黏塑性参数。通过不同应力水平和不同加载时间的蠕变-回复试验对模型进行了验证,结果表明,在应力水平较低或加载时间较短的情况下,模型预测与试验值变化趋势基本一致,模型获得的黏弹性应变与黏塑性应变在总应变中所占的比例与试验吻合。改性双基推进剂黏弹-黏塑性本构模型能够在一定范围内描述材料的力学性能。

复合材料螺栓连接松弛的弹-黏塑性分析方法

预紧力松弛是影响复合材料螺栓连接结构耐久性的主要原因之一。本文重点讨论导致预紧力松弛的材料蠕变与粗糙表面接触蠕变的相互影响。内容包括建立了以弹-黏塑性理论为基础的复合材料蠕变本构模型,并结合考虑粗糙表面的分形接触理论,将其推广到与时间相关的弹-黏塑性接触问题。数值结果与实验结果对比表明,考虑粗糙表面接触效应时,计算误差从2.87%~4.37%降至0.04%~0.5%,预测准确性有显著提高。表面分形参数D和G的讨论结果表明,接触表面越粗糙,预紧力越容易松弛。这对工程上通过控制表面形貌参数来改善表面接触性质具有指导意义。

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.

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.

分数阶微分流变模型圆形硐室黏弹塑性分析

基于分数阶微分黏弹塑性流变模型,同时考虑受硐室掌子面影响的围岩应力释放效应,根据Laplace变换、分数阶微积分理论、Mittag-Leffler函数,推导了圆形硐室黏塑性区半径、应力、位移的理论解。将理论解与西原本构模型解进行对比,证明了分数阶模型解的合理性。分析结果表明:黏塑性区半径、洞壁环向应力的分数阶微分模型解和西原模型解随时间最终都趋于稳定,两种解法在稳定前有一定差异,稳定后大小相同;一定范围内,掌子面对围岩变形具有一定抑制作用,越靠近掌子面,黏塑性区半径和洞壁径向位移越小;流变特征对硐室围岩黏塑性区环向应力的影响较大,离硐室圆心越近,影响效果越明显,而黏塑性区径向应力和黏弹性区环向应力、径向应力受围岩流变的影响较小。

考虑锚杆作用的深埋软岩隧道黏弹塑性力学响应解析

深埋软岩隧道围岩表现出显著的塑性软化与剪胀特性,而当下的理论分析很少同时考虑这两点,导致预测结果与隧道实际变形行为存在一定误差.为解决该问题,本文基于Kelvin-Voigt流变模型和Mohr-Coulomb强度准则,考虑了塑性阶段时围岩软化与剪胀特征,并引入了掌子面空间约束效应,建立了深埋软岩隧道黏弹-塑性计算分析模型.进一步,为考虑锚杆对隧道围岩的支护作用,在理论模型中,利用等效刚度法建立了加固围岩的力学模型.结合围岩塑性半径与锚杆长度相对关系,给出了6种工况下考虑锚杆加固作用的隧道黏弹塑性力学响应的时效解答.此外,通过数值解与理论结果的对比,理论模型的正确性和有效性得到了较好的验证.最后,为研究锚杆支护对围岩的加固效果,基于理论解答,讨论了锚杆安装时间、锚杆刚度及开挖速度对隧道变形的影响.结果表明:在不考虑锚杆加固作用下,开挖速度仅影响围岩前期变形的发展规律,但对围岩的最终变形量几乎没有影响.若不考虑塑性变形将大大低估围岩变形,造成预测结果与实际情况偏差过大.若隧道开挖速度越快,锚杆的安装应尽量提前,才能保证锚杆有效地发挥限制围岩变形的作用.锚杆刚度与隧道位移存在一种亚线性关系,且锚杆刚度的增加也能够延长围岩进入塑性变形所需的时间.本文的研究结果对相关隧道的设计具有一定的指导作用.

一种双重孔隙-裂隙岩体流变模型及其在地下洞室有限元分析中的应用

用西原模型描述双重孔隙-裂隙介质的流变特性,在理论上给出了其流变参数及强度指标的确定方法,建立了瞬弹-黏弹-黏塑性平面有限元求解格式和研制了相应的计算程序。针对一个矩形地下洞室围岩为裂隙岩体和完整岩体的两种工况进行数值分析,对比了围岩中的位移、应力及塑性区。其结果显示:相比于单一介质的情况,双重介质因其变形模量、凝聚力和内摩擦角减小,故洞室围岩中随时发展的位移和塑性区有明显的增长,两种工况的围岩应力分布亦存在较大的不同,特别是双重介质围岩中最大主应力σ_1和最小主应力σ_3的差值较大,因此,提高了围岩破坏的可能性。

QP980钢拉伸过程的晶体塑性模拟

淬火配分QP980钢变形过程中存在马氏体相变,对材料的力学性能产生明显影响.通过电子背散射衍射方法表征了QP980钢变形前后的微观组织,基于马氏体相变晶体学唯象理论建立了考虑相变的弹-黏塑性自洽多晶体塑性模型,模拟了QP980钢在单向拉伸过程中的宏观流动应力和织构演化.材料初始包含铁素体(F)、马氏体和残余奥氏体(RA),各相均为轧制织构,变形后残余奥氏体含量明显减少,残余奥氏体的〈111〉丝织构、铁素体和马氏体的〈110〉丝织构在拉伸方向有明显增强.相变提高了材料的强度和加工硬化率,但对各相的织构演化影响很小.根据计算变形过程中应变和应力的分配情况,铁素体和回火马氏体对变形起主要作用,变形过程中新生马氏体的应力最大,成为断裂的潜在萌生点.

黏弹-塑性岩体中锚注与衬砌联合支护的解析解

针对黏弹-塑性岩体中深埋圆形隧洞锚注、衬砌联合支护问题,导出开挖、锚注加固和衬砌支护阶段位移、应力的解析解。在开挖段,用随时间变化的半径函数模拟扩孔式断面开挖过程,并同时考虑纵向开挖的空间效应,给出黏弹区和塑性区应力、位移及塑性区半径随时间变化的解答。某时刻施加锚注支护后,将锚注岩体等效为弹塑性材料,用圆柱型正交各向异性体现锚杆对径向刚度加强,用强度指标的增强体现锚注的加固作用,分别对锚注区完全弹性和部分达到塑性的情况导出了锚注和衬砌支护阶段应力、位移的解答,并给出判断再次出现塑性的条件和塑性区半径的表达式。根据解答,分析了不同位置应力和位移随时间变化情况;不同加固程度、锚注时刻对洞口应力、位移的影响。该文的解答可用于相似条件下隧洞初步设计。

金属芯压电纤维/聚合物复合材料压电-黏弹-塑性行为的细观力学模型

为了表征金属芯压电纤维增强聚合物基(MPF/PM)复合材料非线性、时变的压电-黏弹-塑性行为,基于变分渐近理论建立MPF/PM增量形式的细观力学模型。首先分别导出聚合物和MPF增量型本构方程,基于汉密尔顿扩展原理推导出MPF/PM压电-黏弹-塑性变分原理的能量泛函。考虑材料的时变和非线性特征,建立与求解瞬时有效机-电耦合矩阵有关的增量过程,并通过有限元技术实现模型的数值模拟。利用构建模型研究了不同铝芯体积分数、电场变化率和加载条件对MPF/PM有效全局应力-应变和单轴纵向拉伸性能的影响。结果表明,构建的模型能准确模拟MPF/PM多场耦合作用下的非线性、时变行为,为该新型智能材料的实际工程应用奠定理论基础。

超高分子量聚乙烯纤维束低速拉伸下的应变率效应及其统计损伤本构关系

基于轴向拉伸实验研究超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维束低速下(包含准静态)应变率效应对其力学性能及破坏模式的影响,阐述了其弹-黏塑性特性和分子链断裂在纤维束变形过程中的贡献。在10^(-5)~3.3×10^(-2)s^(-1)应变率范围内,对UHMWPE纤维束进行5种不同应变率工况的拉伸实验,得到了各工况下的力学性能参数及应力-应变曲线。结果表明,UHMWPE纤维束的拉伸强度和失效应变与应变率之间分别存在指数增长和指数衰减关系,随着应变率的提升,二者的应变率效应逐渐削弱。室温下,UHMWPE纤维束具有较为复杂的力学行为,呈现2种不同的损伤特性,分别为黏弹性主导的宏观整体性脆性断裂和黏塑性主导极具韧性且包含蠕变的塑性变形。基于实验结果并结合现有文献结论,推断UHMPWE纤维束发生脆-韧转变的临界应变率在10-5量级。最后,根据实验数据拟合了计及应变率且包含修正项的纤维束低速统计损伤本构方程,通过与实测值对比,验证了该方程的准确性。

含层间错动带岩体的破坏模式及其剪切特性研究方法探讨

层间错动带存在的普遍性,给世界上许多工程带来了岩体稳定性问题和地质灾害。通过对因层间错动带导致工程岩体结构变形失效或破坏的实例进行归纳总结,采用岩体结构控制理论的观点将含层间错动带的岩体的破坏模式分为拉裂破坏、掉块和层间剪切滑移破坏3大类。以此为基础,提出剪切力学模型是层间错动带力学模型研究的重点。对层间错动带剪切力学特性的现有试验方法和建模理论进行评述,并根据现有的研究基础,提出屈服面蠕变模型是当前层间错动带剪切蠕变模型的较好选择。

斜波压缩下RDX单晶的动力学特性

利用小型脉冲功率装置CQ-4,实现了RDX单晶(210),(100)两种晶向15 GPa内的斜波压缩加载.利用激光干涉测速技术,实验获得了RDX单晶样品与LiF界面的速度历史曲线.速度曲线表现出明显的三波结构,表明出现了弹塑性转变和a-g相变.分别计算了两种晶向的应力屈服极限和屈服强度,不同晶向的RDX单晶的屈服极限表现出明显的差别.并对斜波加载下的a-g相变特征进行了分析,两种晶向的相转变起始压力基本相同,a-g相变起始压力在3.5—4.0 GPa之间,相变起始压力至5 GPa内均为相转变区,5—15 GPa为稳定新相.