岩石非线性细观损伤-塑性耦合本构模型及其数值实现

为了体现岩石在压缩过程中的压剪破坏模式,解决传统多尺度岩石损伤力学本构模型不能描述剪切弱化的问题,在多尺度岩石损伤力学框架内,通过考虑局部应力Lode角对屈服函数的影响,引入局部莫尔-库仑塑性屈服函数,建立一个新的岩石非线性细观损伤-塑性耦合本构模型。推导出本构模型在常规三轴压缩情况下应力-应变的解析解,进而给出本构模型所有参数的标定方法。采用优化后的半隐式解耦算法将本构模型写入LS-DYNA材料库,通过单元测试验证算法的有效性和收敛性,并对石灰岩三轴压缩力学特性进行模拟,数值模拟结果和试验数据具有较好的一致性。最后,进行本构模型参数敏感性分析,得出模型参数对岩石峰值应力、峰值应变、脆延转变等力学行为的影响规律。所建立的本构模型不需要引入额外的硬化/软化函数,显著减少了模型参数的数量,且参数具有严格的标定方法,采用关联流动法则即可完成对轴向、横向及剪切非线性力学行为的准确描述;优化后的半隐式解耦算法收敛性较好,所编译的LS-DYNA求解器计算过程稳定,且计算速度显著快于岩石传统现象学模型,这对于本构模型的实际应用具有重要意义。