岩石摩尔-库仑弹塑性损伤本构模型及其主应力隐式返回映射算法研究

在弹塑性损伤理论框架内考虑岩石的塑性变形机制和刚度退化,建立基于Mohr-Coulomb(M-C)屈服准则的弹塑性损伤模型,采用内变量即等效塑性应变表征岩石损伤变量的演化。由于M-C屈服准则在应力空间为一个六棱锥,在数值实施过程中六棱锥角点和棱线上的应力更新存在"奇异性"问题,角点光滑化方法可以处理该问题,但其不可避免的导致近似的计算结果。在M-C本构数值积分算法的基础上,推导弹塑性损伤本构方程的主应力空间隐式返回映射算法,包括弹性预测、塑性修正和损伤修正3个主要计算步骤。在塑性修正过程中,针对流动向量返回到主平面、左右棱线和尖点3种情况分别进行讨论,从主应力空间的角度出发解决"奇异性"问题。采用面向对象的编程方法,使用C++语言开发弹塑性损伤本构求解程序(RDM-C),并采用单轴压缩试验、地基和洞室算例对程序计算的结果进行分析和验证。研究结果表明,所建立的弹塑性损伤本构模型能够较好地描述岩石材料主要的力学和变形特性、塑性区和损伤区变化趋势。基于主应力空间的隐式积分算法所开发的程序可以进行岩土工程问题的数值分析,对现场施工提供指导和理论依据。

关于返回映射算法中应力的四阶张量值函数

针对各向同性材料,基于一组相互正交的基张量,建立了一套有效的相关运算方法.基张量中的两个分别是归一化的二阶单位张量和偏应力张量,另一个则使用应力的各向同性二阶张量值函数经过归一化构造所得,三者共主轴.根据张量函数表示定理,本构方程和返回映射算法中所涉及到的应力的二阶、四阶张量值函数及其逆都由这组基所表示.推演结果表明:这些张量之间的运算,表现为对应系数矩阵之间的简单关系.其中,四阶张量求逆归结为对应的3×3系数矩阵求逆,它对二阶张量的变换则表现为该矩阵对3×1列阵的变换.最后,对这些变换关系应用于返回映射算法的迭代格式进行了相关讨论.

完全隐式返回映射算法对岩土地基问题的求解

针对岩土工程中的复杂力学问题,在弹塑性力学理论框架和非线性有限元理论基础上,采用非关联等向硬化Drucker-Prager模型的完全隐式积分算法—返回映射算法(Return MappingAlgorithm)编制了有限元求解程序。该算法可以避免预测应力漂移屈服面的现象,对准静态变形条件下的本构方程可以获得准确解,在迭代中使用Newton-Raphson法获得近似平方的收敛速率,具有较高的精确性和稳定性。对岩土工程中的地基问题进行求解,计算得出位移、应力等结果,模拟了塑性区随载荷步增加的演化过程,对地基极限承载力进行了解析解和数值解的对比。结果表明了算法的优越性、程序的正确性和实用性。

基于Hoek-Brown准则的岩体高温-荷载耦合损伤模型及其验证

针对隧道岩体在高温和荷载共同作用下产生的耦合损伤问题,基于连续损伤力学理论,引入高温-荷载耦合损伤因子,建立了考虑高温作用的广义Hoek-Brown(H-B)准则的弹塑性损伤本构模型,解决了模型在数值积分过程中的奇异点问题,并利用Fortran语言编写了模型的有限元程序。结果表明:模型计算的应力-应变曲线与试验所得到的曲线趋势一致且计算结果误差在5%以内,温度作用下隧洞围岩损伤逐渐加剧,验证了模型的准确性和程序的稳健性,可为火灾作用下隧道围岩安全稳定性评价提供一种有效计算方法。

金属成形数值模拟算法及软件开发

以实现拥有部分算法特色的金属成形定制化CAE(computer-aided engineering)软件为目的,在自主开发的OmtDesk平台基础上,嵌入金属成形数值计算程序.首先,以双势理论为基础,运用Uzawa算法求解金属成形中的接触摩擦问题;其次,采用建立在更新拉格朗日框架上的返回映射算法,求解金属成形中材料非线性问题;最后,通过压缩回弹和挤压成形两个数值算例,验证了自主开发的金属成形定制化CAE软件FEM/Form的准确性与通用性,并将求解结果与ANSYS对比.在压缩回弹算例中,采用ANSYS得到10–3 mm量级的穿透量,相同算例采用FEM/Form则能将穿透量控制在10–7 mm量级,说明采用双势接触模块能更加精确地控制金属成形数值模拟中的穿透量,使金属成形过程更加准确.

基于Hoek-Brown准则的岩体弹塑性损伤模型及其应力回映算法研究

为了克服一般弹塑性损伤模型不能反映岩体结构、岩块强度、应力状态的影响以及非线性破坏特征等问题,该文基于广义的 Hoek-Brown(HB)屈服准则,考虑损伤引起的刚度退化和塑性导致的流动两种破坏机制的耦合作用,同时引入修正有效应力原理来考虑孔隙水压力的作用,建立了岩体弹塑性损伤本构模型,给出了损伤变量定义及演化方程。针对该模型在数值求解过程中存在的奇异点问题,从主应力空间推导了弹塑性损伤模型的完全隐式返回映射求解算法,包括弹性预测、塑性修正和损伤修正三个步骤。通过 ABAQUS 软件的用户子程序接口 Umat,实现了弹塑性损伤模型的数值求解过程。采用单轴、三轴压缩试验和隧道算例对模型算法进行验证和分析,结果表明,所建立的 HB 损伤本构模型能够很好地描述岩体材料的力学特性,在实际岩体工程的损伤模拟中效果令人满意,计算结果对工程有指导意义。

岩石弹塑性损伤本构模型建立及在隧道工程中的应用

在实际隧道施工过程中,隧道开挖引起地下岩体应力重分布使得围岩的微裂纹扩展损伤,并伴随有塑性流动变形。在地下水环境中对于孔隙和微裂隙围岩介质受到应力作用时,在内部将产生高孔隙水压力影响岩石的力学性质,也改变了围岩的破坏模式。为了研究损伤引起的刚度退化和塑性导致的流动两种破坏机制的耦合作用,从弹塑性力学和损伤理论的角度出发,同时引入修正有效应力原理来考虑孔隙水压力的作用,建立基于Drucker-Prager屈服准则的弹塑性损伤本构模型;针对该本构模型推导了孔隙水压力作用下弹塑性损伤本构模型的数值积分算法-隐式返回映射算法,分别对预测应力返回到屈服面的光滑圆锥面或尖点奇异处两种可能的情况给出了详细的描述,隐式返回映射算法具有稳定性和准确性的特点;大多数弹塑性损伤模型中涉及参数多且不易确定的问题,采用反分析方法获得损伤参数,解决了损伤参数不易确定的难题;采用面向对象的编程方法,使用C++语言编制了弹塑性损伤本构求解程序,并对所建立的弹塑性损伤模型和所编程序进行了试验和数值两个方面的验证;最后将其在吉林抚松隧道工程中进行应用,模拟了塑性区和损伤区的发展变化。研究结果表明:所建立的弹塑性损伤本构模型能够较好地描述岩石的力学性能、塑性和损伤变化趋势,所编程序能够进行实际工程问题的模拟,对现场施工给予一定的指导。

岩石应变软化本构模型建立及NR-AL法求解研究

针对岩土工程材料应变软化问题及有限元对其数值计算时切线刚度矩阵负定造成求解困难的问题进行研究。建立了基于Drucker-Prager(D-P)强度准则的岩石弹塑性应变软化本构模型,本构积分算法采用一种完全隐式返回映射算法,它具有无条件稳定和精确的特点,详细论述了如何进行本构模型的程序化求解;考虑弧长法在判断切线刚度矩阵正定性导致效率低的缺点,在弹塑性增量有限元方程的迭代计算中尝试采用Newton-Raphson法和arc-length法(NR-AL法)联合迭代求解的思路,即在结构未达到极限荷载前采用NR迭代法,而当结构接近极限荷载时转换为AL法控制迭代,从而使结构越过峰值点进入软化区直至破坏,NR-AL法汲取了2者迭代求解中具有的优势;利用C++语言对所建应变软化模型的本构求解和弹塑性增量有限元方程迭代求解过程给予程序实现,应用所编程序进行数值计算,分析了D-P理想弹塑性模型、应变软化模型、应变硬化模型计算的应力-应变曲线的区别,同时将应变软化模型计算结果与试验数据进行了对比。研究结果表明:所建应变软化本构模型可以较好地模拟岩石材料的峰后软化特性,能够揭示峰后应变软化特性和破坏机制,同时NR-AL法能够求解由于应变软化造成的负刚度问题,也克服了单独使用弧长法时判断切线刚度矩阵正定性效率低的缺点。

基于返回映射的铝合金激光焊缝的弹塑性参数反演

激光焊接局部高温会退化航空铝合金的力学性能,降低航空铝合金加筋壁板结构的承载能力。基于铝合金激光焊接件焊缝附近在单轴拉伸载荷下的全场位移数据,本文提出一种用于等向强化弹塑性应力增量更新的单变量返回映射方法,并将这种应力更新策略应用于非线性虚拟场方法中,结合应变场数据反演了距离焊缝不同位置子区处的弹塑性参数,建立了各个子区材料在弹塑性阶段的应力-应变关系。经反演实验结果显示,激光焊接接头局部区域的力学性质明显弱化,热影响区的塑性应变累积较快,是激光焊缝弹塑性力学性能退化最严重的区域。

应力松驰对估算锡晶须生长的影响

为了描述锡晶须生长过程中的应力生成与应力松驰同时发生的特性,对弹塑性-蠕变本构模型采用返回映射算法,在Abaqus平台上,通过自编的UMAT子程序进行求解。有限元计算表明,与Abaqus自带的弹塑性模型相比,弹塑性-蠕变模型能够有效的反映材料的应力松驰行为。应用该程序,我们计算了无铅焊试样中应力的变化,根据应力的变化估算了锡晶须的生长率,并研究了晶粒尺寸对锡晶须生长率的影响。

弹塑性von Mises本构模型的完全隐式数值积分算法研究

完全隐式返回映射算法是一种数值积分算法,可以避免预测应力漂移屈服面的现象,对于准静态变形条件下的本构方程可以获得准确的解,在迭代中使用Newton一Raphson法可获得近似平方的收敛速率,具有较高的精确性和稳定性.本文在弹塑性和非线性有限元理论框架下,基于相关联等向硬化von Mises本构模型的返回映射算法(Return Mapping Algorithm)和相对应的一致切线模量(Consistent Tangent Moduls),采用C++语言编制了弹塑性求解程序,同时编制后处理接口程序将结果文件转化为Tecplot软件可以显示的数据格式,完成有限元数值计算及结果的可视化.最后给出了两个算例,对所编程序的正确性进行验证,且对地基塑性区的发展变化,以及位移和应力进行图形显示.结果表明了算法的可靠性和稳定性,以及程序的准确性和实用性,可以用其对弹塑性问题进行数值分析.

Lemaitre等向硬化弹塑性损伤耦合本构模型积分算法及程序实现

涉及复杂材料弹塑性损伤问题数值计算研究时,不仅需要选择恰当预测损伤和破坏的本构模型,还需要有效和稳健的本构积分算法。首先,阐述了在热力学和连续介质力学框架下建立弹塑性损伤本构模型的基本步骤;其次,基于Lemaitre等向硬化弹塑性损伤耦合本构模型、相应的本构积分算法-完全隐式返回映射算法(Fully Return Mapping Algorithm)和一致切线模量,采用C++语言在Visual 6.0环境下编制有限元本构求解程序,在塑性损伤修正步中求解返回映射方程时,选取一种简单的形式,只需迭代求解一个标量非线性方程,计算效率较高。最后,通过缺口圆棒数值算例初步验证了程序的正确性,并编制接口程序对计算结果进行可视化。研究结果表明积分算法的有效性及程序的正确性,Lemaitre等向硬化弹塑性损伤耦合本构模型能够较好地模拟韧性材料的破坏发展过程,可以求解类似的有限元边界值问题,为考虑损伤特性的韧性材料结构研究和设计奠定基础。