基于广义Kelvin模型的非定常盐岩蠕变模型

针对川东北油气田盐岩地层普遍出现的套损现象,对该地层段盐岩的蠕变特性进行研究。用非定常黏壶元件替换广义Kelvin模型中的线性黏壶元件,建立非定常广义Kelvin模型;将其与能够描述盐岩稳态蠕变特征的Heard模型进行串联,构建新的四元件NGKH盐岩非线性蠕变本构模型,可以描述盐岩的衰减蠕变阶段和稳态蠕变阶段特征。基于室内三轴蠕变试验结果,利用Levenberg-Marquardt算法对NGKH模型蠕变参数进行识别。基于FLAC3D的UDM接口程序,采用C++编程语言对其进行二次开发;并通过三轴蠕变试验的数值模拟对开发NGKH模型进行验证。研究结果表明:NGKH模型的拟合结果与室内试验结果吻合良好,该蠕变模型能够准确描述盐岩的非线性蠕变特性;通过黏弹性与非线性计算结果,验证了开发NGKH模型程序的正确性和合理性。

节理试样法向蠕变特征及其非定常Kelvin模型

为研究不同法向载荷下大理岩节理试样法向蠕变特征,对4个大理岩节理试样进行了5个法向载荷下的短期蠕变试验。基于节理法向蠕变机理和蠕变试验曲线特征,提出一种非定常Kelvin蠕变模型,并对模型适用性进行分析。结果表明:大理岩节理试样短期法向蠕变主要包括减速蠕变阶段和等速蠕变阶段。在蠕变量较小时,减速蠕变阶段较短;反之,较长。非定常Kelvin模型对蠕变试验曲线的拟合效果较好。随法向载荷增加,节理试样法向蠕变量和拟合相关系数R2整体上呈先减小后增大趋势,粘弹性模量和初始粘滞系数呈先增大后减小趋势。研究结论对岩石节理试样法向蠕变的数值模拟和岩体工程实践具有一定帮助。

一种非定常参数的岩石蠕变本构模型

在前人的研究基础上提出了一种新的非定常参数的岩石蠕变模型,该模型由一个牛顿体和一个类似于开关的SO元件并联后与一个广义Kelvin体串联,通过SO元件的作用,新模型可以在Burgers模型与广义Kelvin模型之间切换,并将Burgers模型中牛顿体的粘滞系数η1看成与时间有关的非定常参数,使得模型不仅可以反映稳态蠕变过程也可以反映加速蠕变过程.

浅变质板岩非定常开尔文模型研究

随着岩石蠕变特性在不同含水状态下试验研究的逐步开展,为了实际工程所需,应先提出能合理描述其蠕变规律的本构模型。为了准确描述浅变质板岩的蠕变行为,首先提出了一个新的非定常粘滞体元件,该元件的黏滞系数随时间不断发生变化。然后将该元件替换常规Kelvin模型中的定常粘滞体元件,建立了一种新的非定常Kelvin模型,并推导了模型的蠕变方程。最后基于浅变质板岩试样单轴压缩蠕变试验结果,采用曲线拟合的方法反演了非定常Kelvin模型和常规Kelvin模型的蠕变参数。通过对比试验曲线与拟合曲线发现:在不同应力水平下,相对于常规Kelvin模型,非定常Kelvin模型拟合曲线与试验结果更加吻合,说明该模型能够更好的描述浅变质板岩的蠕变特性,具有更好的适应性。

基于颗粒流程序的广义Kelvin模型及其应用

研究具有流变特性的由一个Maxwell体和任意个Kelvin体串联组成的广义Kelvin模型,并对其本构关系进行推导。在Microsoft Visual Studio平台上采用C++语言编译模型的头文件和源文件,开发出广义Kelvin模型的动态链接库(DLL)文件,在二维颗粒流程序(PFC2D)中对DLL文件进行加载调用,实现对广义Kelvin模型的开发。对含不同数量Kelvin体的广义Kelvin模型进行应力松弛模拟试验,得到接触力随时间的变化关系并与理论解对比,验证了开发模型的准确性。在此基础上,以某露天煤矿的含粉质黏土边坡为工程实例,利用开发的广义Kelvin模型对其失稳过程进行模拟,所得结果与边坡现场特殊的帽檐形破坏模式相符,而与采用普通线弹性模型模拟得到的边坡失稳形态为"圆弧滑动"不一致,说明该模型可用于研究此类含粉质黏土边坡失稳的破坏机制,并在此基础上,提出了对该类含具有流变特性的粉质黏土边坡的处治建议,研究结论可为今后类似研究提供有益的参考。

广义Kelvin模型在沥青路面中的应用

为了得到普适性黏弹性本构方程的解答,选择广义Kelvin模型作为沥青混合料的本构模型,并分析了该模型的力学响应.首先,推导了沥青混合料一维广义Kelvin模型在重复单轴半正矢荷载作用下的应力-应变关系,并提出了获取该工况下材料参数的新方法;然后,将一维广义Kelvin模型推广到三维空间中,并给出了对应的有限差分算法;最后,验证了三维广义Kelvin模型和有限差分算法的正确性,分析了广义Kelvin模型在沥青路面中的适用性.结果表明,采用所提的参数获取方法以及本构模型的演算和推广能够实现广义Kelvin模型在沥青路面中的应用.广义Kelvin模型可以准确有效地应用于沥青路面黏弹性响应计算中.

粘弹性广义Kelvin模型的FLAC^(3D)二次开发

针对不同力学特性的岩土体材料,基于现有的商业数值分析软件进行本构模型的二次开发,可以更为科学地模拟工程实际问题。根据FLAC3D提供的程序接口,以广义Kelvin模型为例,探讨了粘弹性模型开发的基本原理,同时给出了程序代码编写中的几个关键函数,并通过圆柱体的压缩试验对自定义本构模型进行验证。结果表明,试验曲线与广义Kelvin模型模拟曲线相吻合,验证了文中采用的开发思路是正确的,可为其他本构模型的开发提供参考。

基于有损伤体元件的广义Kelvin模型蠕变全过程探究

岩石的蠕变特性往往对隧道和地下工程的稳定性有着重要的控制作用.针对岩石蠕变的阶段性特征,可将岩石蠕变全过程分为四个阶段.广义Kelvin模型可较好地反映前三个阶段的岩石蠕变特性,不能理想地反映加速蠕变阶段特征.通过引入损伤体元件和Kachanov的损伤因子演化公式,构建了具有损伤体元件的广义Kelvin模型,从而建立了可以体现岩石蠕变全过程的蠕变模型,并提出较为简单的组合模型参数计算方法.该模型不仅能较好地反映岩石蠕变全过程,且模型参数易于确定.利用该模型对砂质泥岩单轴压缩蠕变实验曲线进行拟合分析,拟合效果良好,研究结果可为类似工程提供参考.

基于广义Kelvin模型的三维流变损伤本构模型

岩石加速流变阶段蠕变损伤引起的附加蠕变是导致岩石破坏加快的重要原因.以一维广义Kelvin体应力应变关系为基础,推演三维流变本构方程,并引入Kachanov损伤演化方程,建立了基于广义Kelvin模型的三维流变损伤本构模型.通过对花岗片麻岩三轴流变试验结果的模拟,验证了该模型的有效性.结果表明:基于广义Kelvin模型的流变损伤本构模型可以反映花岗片麻岩的减速蠕变和等速蠕变过程,并且可较理想地反映加速蠕变过程.

肋软骨黏弹性函数拟合及广义Kelvin模型

目的针对肋软骨的生物力学研究较少,且仅限于简单实验分析的现状,本文对肋软骨黏弹性函数关系进行了研究。方法采用最小二乘法得到肋软骨的应力-应变函数、归一化应力松弛函数,最后确定了松弛函数。着重构建了黏弹性材料广义Kelvin模型,并用来表述肋软骨归一化蠕变函数,同时对所建函数拟合精度进行了仿真分析。结果研究结果表明,所建函数及模型能较好地表述肋软骨生物力学性能。结论本文的研究对肋软骨的三维可视化模型有限元分析和正常生理及损伤机制的研究有重要参考价值。

广义黏弹组合模型的等效性及其基本性质

对广义黏弹组合模型的等效性及其基本性质进行了研究,结果表明:广义Maxwell模型由于并联结构,其蠕变柔量很难得到.但提出了求解广义Maxwell模型蠕变柔量的方法,给出了其具体表达式,且在此基础上证明了广义Maxwell模型与Kelvin链的等效性,建立了这两个模型物理参数间的转换关系式.证明了广义黏弹组合模型的一个基本性质:当将模型的松弛时间谱和延迟时间谱由大到小顺序排列时,松弛时间与延迟时间互不相等,且相互交织,两相邻松弛时间中间有且仅有一个延迟时间,同时,两相邻延迟时间中间有且仅有一个松弛时间;当两者同阶相比时,延迟时间总是大于松弛时间.这一基本性质明确了使用广义黏弹组合模型来描述现实中某种特定材料的黏弹性行为时,该材料必须具备的基本条件,因此,它可作为这类流变模型在工程应用中的一个实用判据.Wiechert模型和广义中村模型、广义Jeffreys模型和广义N-K模型、Maxwell链和广义Kelvin模型之间的等效性可作为特例.最后,实例验证了所提出的求解广义黏弹组合模型蠕变柔量方法及其基本性质.

颗粒离散元方法中接触模型的开发

在对颗粒离散元方法的理论基础进行深入研究的基础上,推导了广义Kelvin模型颗粒间接触力的理论解和数值解;采用面向对象的程序技术,通过颗粒离散元程序的接口,研制了广义Kelvin接触模型颗粒离散元计算程序;通过算例,验证了程序编制的正确性。在此基础上,以某深埋隧洞为例,计算不同接触本构模型条件下岩体的开裂破坏情况。结果表明,相对于弹性接触关系,采用广义Kelvin接触模型得出的结果与由Hoek-Brown强度准则得出的计算图更为接近。

FLAC^(3D)粘弹性模型的二次开发及其应用

针对FLAC3D(Version2.0)提供的粘弹性本构模型难以描述岩体变形随时间发展趋于稳定的现象,对FLAC3D的粘弹性模拟功能进行了开发,导出广义Kelvin模型的中心差分格式,并采用FLAC3D内嵌功能较强的FISH语言和FLAC3D的相关命令研制了广义Kelvin模型的接口程序。通过检验算例说明了开发思路和接口程序的正确性,同时还指出了二次开发时应注意的一些问题,并对基坑开挖进行了实例分析,结果符合基坑开挖变形规律。

芒硝蠕变特性及本构模型研究

为研究芒硝蠕变特性,利用RLW-2000岩石流变试验机对芒硝开展了三轴压缩蠕变试验;基于此,以分数阶粘滞体代替广义Kelvin模型中的常规粘滞体,建立了分数阶广义Kelvin模型;针对其蠕变方程形式复杂、应用不便的缺点对其进行了简化,将简化后的分数阶广义Kelvin模型与Heard稳态蠕变模型相结合,构建了一种新的岩石蠕变本构模型,并利用芒硝蠕变试验结果反演了模型参数。结果显示:同一围压下,随轴向应力增大,芒硝蠕变变形量和稳态蠕变率均随之增加,而各级荷载加载过程中芒硝变形模量不断减小;芒硝蠕变过程具有非线性特征,且随蠕变时间延长,芒硝屈服强度逐渐降低;拟合曲线和试验结果吻合良好,说明该模型能够较好地描述芒硝的蠕变特性。

煤岩非线性损伤蠕变模型探析

为了研究煤岩蠕变特性,分析前人煤岩蠕变特性实验结果,在广义Kelvin模型的基础上建立了煤岩非线性损伤蠕变理论模型。假定煤岩损伤演化是应力和时间的函数,同时引入非线性硬化函数推导了煤岩非线性损伤衰减蠕变方程和蠕变全过程方程。任意给定方程中材料参数和加载条件,理论得到了煤岩衰减蠕变和蠕变全过程随时间变化曲线,对比前人煤岩蠕变实验结果,验证了用理论模型去研究煤岩的蠕变特性是可行的。

湛江黏土的蠕变模型与变参数塑性元件

湛江黏土的蠕变变形在低偏应力下较小,其蠕变等时曲线没有明显的屈服特征而近似为直线,表现为线性蠕变性状;当偏应力达到某一临界值后,在短时间内发展到加速蠕变阶段并发生破坏。从湛江黏土蠕变各阶段的变形机制出发,通过引入服从Mohr-Coulomb塑性流动规律的变参数塑性元件,将该塑性元件与广义Kelvin模型串联,提出描述蠕变全过程的黏弹塑性模型。同时将该模型在FLAC3D中进行二次开发,与FLAC3D中自带的Cvisc模型进行对比验证,结果表明,基于变参数塑性元件的黏弹塑性模型能较好地描述湛江黏土各个蠕变阶段的变形性状。

基于蠕变试验的蓖麻籽压榨非线性流变模型

为了解决蓖麻油侧限直筒压榨过程中的核心阶段—保压出油阶段,缺少蓖麻籽在蠕变试验下的流变特性模型这一问题,为蓖麻油数控直筒压榨设备的设计,特别是控制系统的设计提供理论依据,基于蠕变试验得到蓖麻籽压榨本构方程。在电子万能试验机上,利用单轴压榨试验装置进行侧限压缩蠕变试验,取得应变与对应时间的试验数据。利用试验数据,根据半理论半经验方法,用改进的广义Kelvin模型得到蓖麻籽蠕变的非线性本构方程,使用非线性回归法分段对方程中的参数进行求解,并将方程计算值与试验数据进行对比,对模型适用性进行评价。结果表明:得到的蠕变试验本构方程能够较好的吻合在物料轴向高度75mm,截面圆面积1194.6mm2,压榨压力进行速度50N·s-1,达到30MPa以内各个设定压力开始保压,保压15min的情况下取得的试验数据,可以较好的模拟压榨应力在30MPa以内的蓖麻籽压榨蠕变特性,对常规蓖麻籽压榨设备的设计起到较好的指导作用。

望江淤泥质粉质黏土蠕变特性及模型研究

通过室内三轴压缩蠕变试验,对望江地区淤泥质粉质黏土的蠕变力学特性进行了研究。试验结果表明:当偏应力水平加载至75%~90%的三轴抗剪强度时,原状土土样即发生快速变形;蠕变试验的等时曲线显示该淤泥质粉质粘土的蠕变特性具有明显的非线性特征;基于试验结果,采用广义Kelvin模型和Burgers模型对土样蠕变特性进行描述。采用优化分析软件1st Opt对模型参数进行辨识,得到不同围压和各级偏压下淤泥质粉质粘土的蠕变模型参数,采用两种蠕变模型计算所得曲线与试验曲线吻合良好,两种模型均可准确描述其蠕变力学特性,Burgers蠕变模型模拟淤泥质粉质粘土蠕变变形优于广义Kelvin蠕变模型。

流变荷载试验曲线的模型识别及其应用

基于粘弹性理论,建立了流变荷载试验的Maxwell、广义Kelvin和Burgers3种流变模型的位移反演模式,并给出了根据现场试验流变曲线进行流变模型识别的简便方法。分析了岩体流变荷载试验曲线,给出了能反映试验区域内岩体变形规律的最佳流变模型,反演获得了试验区域内岩体的瞬时弹性模量、长期弹性模量、粘弹性模量和粘弹性系数。结果表明,描述试验点岩体在不同荷载级别情况下的最佳流变模型均为广义Kelvin模型,但其弹性模量有所差异,其量值范围为4194～5235MPa,平均弹性模量为4900.316MPa;平均长期弹性模量为3081.65MPa。计算表明所建立的反演公式是正确的,模型及参数识别过程简便、实用。

基于循环荷载下西原岩石疲劳模型的改进研究

为研究岩石疲劳变形规律,通过将西原模型黏塑性体中线性元件替换为含疲劳参数n的非线性黏性元件,建立了循环荷载下改进的西原疲劳模型。当岩石循环荷载应力上限值小于岩石门槛应力值时,模型为描述岩石减速、等速两个疲劳变形阶段的广义Kelvin疲劳模型;当岩石循环荷载应力上限值大于岩石门槛应力值且模型参数n≠1时,模型为反映岩石的减速、等速及加速3个疲劳过程的改进西原疲劳模型;当模型疲劳参数n=1时,模型退化为西原疲劳模型。结果表明:与既有岩石疲劳试验结果相比,改进的西原疲劳模型能更好描述循环荷载下软硬岩石的等速、减速、加速三个疲劳变形阶段,且模型疲劳参数n随岩石的单轴抗压强度增大而增大,较高的循环荷载上限应力比会造成模型疲劳参数值n的反常,其他参数变化规律也较为明显。