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。

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。

基于动态损伤速率的岩石损伤本构模型

【目的】本构模型是描述岩体变形破坏特性、表征其力学行为最有效的方法,针对岩石受荷过程中损伤速率变化建立动态损伤演化方程及本构模型成为岩体力学重要内容。【方法】为进一步深入研究荷载作用下岩石变形破坏全过程,将受荷岩石抽象为损伤和未损伤2部分,且未损伤部分承担有效应力,损伤部分承担残余应力,基于动态损伤速率的演化特征,建立动态损伤演化方程及本构模型,通过红砂岩常规三轴压缩试验结果验证模型的合理性。【结果和结论】结果表明:模型理论曲线可较好地反映岩石受荷损伤破坏的力学行为,其动态损伤演化依次经过损伤不变、损伤加快扩展、损伤缓慢增加和完全损伤4个阶段,分别对应理论曲线的压密-弹性变形、塑性变形、峰后软化和残余变形阶段;随着围压的增加,岩石动态损伤累积速率减缓,说明围压可抑制损伤扩展,表现为岩石抗压强度的增加和塑性特性的渐次增强;最大损伤速率较为接近峰值点,并在其右侧应力下降阶段,且对应的损伤变量在不同围压下基本一致;模型参数f增加,岩石强度及塑性变形增加;模型参数m减小,岩石强度增加,但对岩石损伤变形影响较小。通过建立的演化方程及本构模型,探讨了最大损伤速率点的特征及模型参数对岩石强度和损伤变形的影响,对岩石力学的发展有重要的参考价值。

未硫化橡胶黏弹塑性本构模型及有限元实现

为了探究未硫化橡胶的拉伸力学性能,开展了未硫化橡胶不同应变率下的单向拉伸及循环加卸载实验.结果表明,未硫化橡胶具有较为复杂的非线性黏弹塑性力学行为,随着应变率增加,应力水平明显上升,迟滞效应增加,残余应变降低,应力软化增强.为了表征其力学响应,提出了一个三网络(TN)黏弹塑性本构模型,该模型由一个基于八链模型的超弹性网络和两个基于Bergstrom-Boyce流动模型的非线性黏塑性网络构成,同时考虑了材料的Mullins损伤软化等变形特征,能够较好地表征未硫化橡胶的非线性力学行为.最后,依托于Abaqus有限元软件,完成了本构模型材料子程序的开发,对未硫化橡胶多段松弛加卸载和轮胎胎面胶压入模具过程开展了数值仿真,验证了TN模型的数值有效性以及在复杂变形模式下的数值稳定性.

考虑地震应变率效应的木材三维弹塑性损伤本构模型及其数值实现

木结构在服役过程中可能遭遇地震作用,木材表现出明显的地震应变率敏感性,需要建立考虑地震应变率效应的木材非线性本构模型。文章系统梳理已有研究中木材在不同地震应变率水平、不同纹理方向的试验结果,分析其不同纹理方向考虑应变率影响的强度与弹性模量绝对值统计规律性,建立木材考虑地震应变率效应的强度与弹性模量地震应变率影响系数表征模型。在此基础上,基于连续介质损伤力学建立考虑地震应变率效应的木材三维弹塑性损伤本构模型,编写相应的UMAT子程序,并将其嵌入ABAQUS有限元软件中。采用所建立的弹塑性损伤本构模型对木材进行顺纹与横纹受压加载模拟,模型结果与试验结果吻合较好,验证了所建本构模型及UMAT子程序的正确性。研究成果可为木结构的抗震分析与评估提供更符合实际的本构模型支持。

冲击载荷下煤样动力学响应特性与损伤本构模型

为研究深部煤体动载响应规律,采用分离式霍普金森压杆试验系统对信湖矿煤样开展了不同应变率的单轴冲击压缩试验。研究结果表明:冲击载荷下煤样动态抗压强度强度具有明显的应变率效应,且随着应变率增大,应变硬化现象愈发明显;煤样反射能、透射能、吸收能、耗能密度与应变率呈一次函数关系,耗能占比与应变率呈指数型函数关系,且均保持正相关。基于经典朱-王-唐模型、Weibull分布、Drucker-Prager准则,建立了考虑煤样损伤与黏滞性特征的动态统计损伤本构模型,并对本构模型的准确性与普适性进行了验证。该模型能够较好地描述煤样冲击动态力学行为,为动载影响下深地煤炭安全开采提供了基础研究。

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。

一种考虑胶结与损伤影响的深海能源土弹塑性本构模型

天然气是21世纪的重要新兴能源,勘探表明90%以上天然气储藏在深海,并以天然气水合物形式存在,而胶结型是天然气水合物赋存于深海能源土储层的主要类型,针对天然气水合物对于深海能源土的胶结作用和降压开采对于深海能源土性能劣化影响已经有了一些研究成果,但两者共同作用影响还有待深入研究。针对降压开采导致的天然气水合物胶结弱化和土体损伤现象,构建了一种深海能源土弹塑性本构模型,并与试验数据对比,验证了模型的合理性。结果表明:天然气水合物的饱和度和围压对深海能源土应力-应变曲线的影响呈现趋同性;优化的损伤指数c能够合理反映损伤速率,可以通过调整其取值反映降压开采条件下深海能源土的力学特性。

冻融条件下岩石动态损伤本构模型

为研究冻融岩石在动荷载作用下的损伤破坏特征,基于岩石动态变形破坏全过程,将岩石弹塑性和应变软化特征概化为损伤特性,应变率效应描述为黏滞性,建立冻融条件下岩石的动态损伤本构模型;根据应力-应变曲线峰值点处的几何条件,确定模型参数的理论表达式;理论表征冻融与动荷载损伤的耦合效应,探讨不同冻融次数及应变率下岩石的损伤破坏特性。研究表明:随冻融次数的增加,岩石抗冻系数呈减小趋势;冻融前期,抗冻系数随应变率的增大而降低,但随冻融次数的增加,不同应变率下抗冻系数曲线相继相交,相交后抗冻系数随应变率的增大而增加。岩石动态抗压强度与动弹性模量受冻融和应变率作用的共同影响,但导致的效应相反,且动弹性模量对应变率的敏感性较小。冻融-动荷载的共同作用加剧了岩石的受损程度,其耦合效应又使岩石的受损程度有所减弱。损伤曲线近似“S”型演化,较好地反映了冻融岩石动态变形破坏全过程;应变率相同时,总损伤值随冻融次数的增加而增大,但在变形后期,损伤曲线相交后呈相反规律,表现出明显的塑性特征;冻融次数一定时,总损伤值随应变率的增加而依次减小,表现出应变率强化效应。所构建的损伤本构模型理论曲线与试验曲线吻合良好,表明模型较为合理,能够准确描述冻融条件下岩石的动态变形破坏过程。

静水压环境下岩石动态压剪耦合力学响应与本构模型

静水压环境是深部岩石的典型应力赋存状态,并且岩石内存在多尺度的结构面,易遭受压剪耦合的复杂动力扰动。因此,探究静水压环境下岩石动态压剪耦合力学响应及损伤本构模型对于深部岩石结构安全评估和动力灾害防控极为重要。本文应用霍普金森压杆试验装置,对倾斜砂岩试样进行动态压剪耦合试验,揭示静水围压、动态荷载压剪耦合比及加载率对岩石力学特性的影响规律;基于Drucker–Prager准则和Weibull分布,建立静水压环境下深部岩石动态压剪耦合损伤本构模型。结果表明:1)岩石动态强度及变形模量随着加载率及静水围压的增大呈增加趋势,强度的围压效应及加载率效应明显,动态荷载中的剪切分量能削减岩石承载能力并提升岩石的变形能力。2)随着动态荷载剪压比和静水围压的增加,岩石冲击破坏模式由拉伸主导的内部锥形破裂面及表面劈裂转变为剪切主导的单一平面破坏;动态荷载中的剪切分量对静水围压作用下岩石的动态破碎存在明显的限制作用。3)采用极值解析法推导了模型分布参数F0和m的解析表达式,探究了模型分布参数F0、m和损伤修正系数q的物理意义及其对本构模型的影响规律;同时,对比不同工况下试验和理论应力应变曲线,验证了该模型的合理性。本文揭示的静水压环境下岩石动态压剪耦合动力响应与建立的损伤本构模型,可为复杂动力扰动下深部岩石工程安全建设与灾害防护提供理论支撑。

含铜石榴黑云片岩动态力学特性及损伤本构模型

为探究深部矿岩在不同加载条件下的动态力学特性及损伤规律,以深部回采的含铜石榴黑云片岩为对象,开展6种轴压σ_(ap)(0 MPa、6 MPa、12 MPa、18 MPa、24 MPa、30 MPa)、6种围压σ_(p)(0 MPa、4 MPa、8 MPa、12 MPa、16 MPa、20 MPa)及6种冲击速度v(18.68 m/s、20.9 m/s、23.54 m/s、26.63 m/s、29.26 m/s、31.95 m/s)条件下的动静组合冲击试验,并考虑冲击速度、轴压、围压及应变率因素,基于统计损伤理论和Drucker-Prager破坏准则建立动静组合加载下含铜石榴黑云片岩的动态损伤本构模型。研究结果表明:矿岩试件的应力-应变曲线几乎无压密阶段,当应力增加至峰值应力的65%~80%时,该阶段的应力-应变曲线出现阶跃现象;不同埋深矿岩的受力状态和冲击速度显著影响了深部围岩的动态破坏模式,当σ_(p)=12 MPa、v=31.95 m/s时,随着轴压σ_(ap)的增加,动态抗压强度先增加、后降低,而峰值应变线性递减,当σ_(p)=12 MPa、σ_(ap)=24 MPa时,动态抗压强度随应变率的增大线性增加,而峰值应变随应变率的增加呈二次多项式增长;模型理论曲线与试验曲线吻合度均较高,验证了该动态本构模型的可靠性,可为深埋岩体动态本构模型研究及工程应用提供一定的参考。

3D打印类岩石材料强度特性与动态损伤本构模型

为研究基于3D打印的层状类岩石材料动态损伤力学行为,对5组不同倾角的岩样,采用分离式霍普金森杆对其进行动态压缩试验。依据所得的应力-应变数据,以朱-王-唐本构模型为基础,建立一种线性弹簧体、Weibull分布损伤体和Maxwell体并联的黏弹性本构模型,并结合试样的残余强度特性引入损伤修正系数。最后,将其推广应用于黑色页岩的变形规律研究,以检验该本构模型的适用性。结果表明:动态冲击下岩样峰值应力随着倾角的增加呈现先减小后增大的“V”形变化趋势,与天然层状岩石的变化规律相符合;所构建的损伤本构模型,能准确地表征3D打印的层状类岩石材料的应力-应变曲线形状及其力学特征;考虑损伤修正后,其还可较好地反映试样峰后阶段应力应变变化特性与残余强度。研究结果对揭示层状岩石动载下变形规律具有一定参考价值。

不同围压下混凝土受压弹塑性损伤本构模型的研究

在ＭＴＳ公司８１５０２型电液伺服系统上，完成了围压由０～４０ＭＰａ范围内混凝土受压试验，发现随着围压的增大，应力应变全曲线的峰值应力与峰值应变均有所提高，但弹性模量基本不变在此基础上，根据等效应变假定和内变量理论，建立了考虑不可逆应变影响的弹塑性损伤本构模型只要计及峰值应力和峰值应变的变化。

岩石三维弹塑性损伤本构模型研究

基于应变等效假设和真实应力概念的弹塑性损伤理论,在真实应力空间内,结合非线性统一强度模型,以广义塑性剪应变为硬化参数,并同时考虑应力水平对硬化速率的影响,建立了无损状态下岩石材料的弹塑性表达式;在名义应力空间内建立考虑围压对损伤速率影响的损伤演化方程,从而建立了岩石材料的三维弹塑性损伤本构模型。本构模型中各物理参数意义明确,与材料试验结果的对比表明,所建立的三维弹塑性损伤本构模型可较好地描述岩石材料在多轴受力情况下的变形与强度特性,为岩体工程的复杂非线性受力分析提供理论依据。

软岩及混凝土材料损伤型黏弹性动态本构模型研究

根据软岩及混凝土材料在动载下的应力–应变曲线特点,并结合损伤体与黏壶所具有的特性,建立一种适合软岩及混凝土材料的损伤型黏弹性动态本构模型方程。该模型的建立是以朱王唐模型为基础,采用损伤体代替朱王唐模型中的弹性元件对现有损伤型朱王唐模型进行改进而建立的一种损伤型黏弹性动态本构模型方程。为说明该模型方程的合理性,采用建立的本构模型方程对分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统下实测的应力–应变曲线进行拟和,拟和曲线和实测曲线具有很好一致性,因此,该模型可为软岩及混凝土材料的动态本构关系的进一步研究及其工程应用提供一定的参考。

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。

结构性软土弹塑性损伤模型及其应用

为了考虑结构性对软土工程特性的影响,引入结构损伤变量,在岩土损伤力学理论和经典的修正剑桥模型基础上建立扩展的弹塑性损伤模型,通过固结压缩试验和三轴剪切试验确定模型参数.在通用有限元软件ABAQUS平台上开发所建立的弹塑性损伤模型UMAT子程序.将所建立弹塑性损伤模型应用到室内固结压缩试验和现场堆载预压试验的数值模拟中,并与修正剑桥模型所得结果进行对比.结果表明,当荷载较低时,弹塑性损伤模型计算所得沉降小于修正剑桥模型的结果;当荷载大于结构屈服压力时,弹塑性损伤模型计算所得沉降大于修正剑桥模型的结果,即弹塑性损伤模型能够反映软土结构性的特点.

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。

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。

三轴压缩下含瓦斯煤岩弹塑性损伤耦合本构模型

通过引入与塑性屈服准则相关联的各向异性损伤因子和损伤准则来描述含瓦斯煤岩的塑性变形及损伤演化过程。在多孔介质有效应力原理中引入瓦斯吸附的膨胀应力,得出了适用于含瓦斯煤岩的有效应力计算公式。利用不可逆热力学原理,对含瓦斯煤岩的损伤演化规律及塑性变形与损伤之间的耦合效应进行了有效描述。根据实验结果,采用非关联塑性流动法则,建立了能反映含瓦斯煤岩在各种应力条件下力学行为的弹塑性损伤耦合本构模型,并给出了本构模型的参数确定方法。通过理论与实验的比较可知:所提出的弹塑性损伤耦合本构模型能真实有效地描述含瓦斯煤岩在不同应力条件下的力学特性。