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。

基于弹黏塑性模型的部分排水柱孔扩张分析

孔穴扩张的速率效应不仅与孔穴周围土体的排水条件有关,还与土体的率相关力学特性密切相关。现有孔穴扩张理论多聚焦于土体部分排水条件引起的率相关性,较少关注土体排水条件和率相关力学特性的联合影响效应。采用数值分析方法,基于过应力弹黏塑性本构模型,分析了考虑部分排水条件的柱孔扩张过程,围绕孔壁处土体的径向总应力、剪切应力和超孔隙水压力随扩孔的发展规律,探讨了土体率相关力学特性对孔穴膨胀响应的影响。分析表明:当仅考虑土体部分排水条件时,径向总应力和剪应力随加载速度增加而单调减小,其中,扩孔初期,当扩孔速度在10^(-4)~10^(-1)mm/s范围内时,其对径向总应力的影响较小。当同时考虑部分排水条件和土体率相关力学特性的影响时,扩孔初期,径向总应力和剪应力随扩孔速度增加而显著增加,这一规律与Burswood黏土和湛江黏土的原位自钻旁压试验结果一致;随着扩孔的进行,径向总应力和剪应力随加载速度的增加,呈现先减小后增加的规律。土体黏塑性参数(γ^(vp)和n)的敏感性分析显示,相同扩孔速度下,径向总应力、剪切强度和初始剪切模量随γ^(vp)或n的增加而逐渐减小,且减小的幅度越来越小。扩孔速度、土体渗透系数、超固结比对孔壁处土体的排水条件影响较大,对参数γ^(vp)和n的影响相对较小。土体排水条件可通过无量纲速度V进行评价,部分排水条件对应的V值范围为0.04~250.00。建议在应用柱孔扩张理论分析黏性土相关问题时考虑土体力学性能的时间相关性。

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%。

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.

高温下TC4合金的黏塑性本构模型研究

TC4合金广泛应用于高温环境下,基于TC4合金的单轴蠕变试验和高温拉伸试验研究了其高温下的黏塑性本构模型。提出一种不统一的考虑损伤的黏塑性本构模型,将非弹性应变分解为蠕变应变和塑性应变两部分,蠕变应变采用多轴延性耗竭模型计算,塑性应变通过考虑损伤和随动硬化的屈服函数计算,并推导了该模型的有限元隐式积分算法和一致切向模量。使用遗传算法确定了该模型所需的材料参数,通过Abaqus有限元软件的UMAT子程序将该模型进行编程并采用三维八节点等参单元进行计算。由计算结果可知,该模型可以有效地预测TC4合金蠕变曲线的3个阶段以及高温拉伸过程中的软化阶段。

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。

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。

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。

超(超)临界火电用新型奥氏体不锈钢的高温塑性变形行为及本构模型

利用Gleeble-3500热模拟试验机对新型奥氏体不锈钢CHDG-A进行单道次压缩试验,研究了该合金在950-1100℃和0.01-1 s^（-1）条件下的流变应力变化规律及变形组织演变规律。建立了新型奥氏体不锈钢CHDG-A的传统Arrhenius本构模型,耦合应变量后建立改进型本构模型,并引进相关系数R、平均相对误差δ评估改进型本构模型的预测精度。结果表明：在高温热变形过程中,新型奥氏体不锈钢CHDG-A的流变应力值受应变速率以及变形温度的影响显著,且动态再结晶更易在较低应变速率、较高变形温度条件下发生;应用改进型本构模型得到的流变应力预测值与试验值间的相关系数R为0.9944,而平均相对误差值δ仅为1.9952%,说明该本构模型能较好的预测新型奥氏体不锈钢CHDG-A的流变应力。

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。

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.