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。

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.

基于互层岩体的非定常黏弹塑性蠕变模型及有限元分析

为研究互层岩体在考虑时效变形作用时的蠕变特性,提出了一种考虑应力、应变阈值的非定常黏弹塑性五元件模型。该模型能够同时描述岩体的瞬时弹性应变、黏弹性蠕变、线性黏塑性蠕变和非线性黏塑性蠕变(加速蠕变),推导得出了其在三维应力状态下的蠕变方程;基于ABAQUS有限元软件完成了UMAT子程序的研发,并通过对比岩体的室内蠕变试验与该模型数值模拟结果来验证模型的适用性。结果表明:蠕变试验结果与数值计算结果相吻合,非定常黏弹塑性模型不仅可以精确描述减速蠕变和稳态蠕变过程,还可以较好地描述岩体的加速蠕变过程,从而验证了该模型的适用性与有效性。

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。

岩石粘弹塑性本构关系及改进的Burgers蠕变模型

软弱岩石一般具有粘弹塑性共存特性,而典型的Burgers蠕变模型只能描述材料第三期蠕变以前的粘弹性规律,因此,本文基于Mohr-Coulomb准则,提出了新的塑性元件,该元件假定材料屈服后完全服从Mohr-Coulomb塑性流动规律。将该元件与典型的Burgers模型串联,形成了能模拟粘弹塑性偏量特性和弹塑性体积行为的改进型Burgers蠕变模型,推导了相应的粘弹塑性本构关系。给出了模型参数的求解方法,编制了相应的数据处理程序,并结合工程实例,对蠕变模型参数进行了拟合和加权平均取值。应用结果表明:试验曲线与理论计算曲线吻合,改进的Burgers蠕变模型能较好的描述岩石的蠕变特性。

一种改进的岩石黏弹塑性加速蠕变力学模型

为了全面描述岩石蠕变全过程,克服线性牛顿体不能准确描述加速蠕变的不足,在引入非线性蠕变体模型基础上,结合流变力学模型理论,定义应力与试件长期强度的比值为加速蠕变速率幂级数n,模型发生加速蠕变时的总蠕变量为蠕变特征长度εc,进而得到一种改进的能够描述岩石黏弹塑性加速蠕变的力学模型。结合东乡铜矿砂质页岩单轴压缩下分级增量循环加卸载蠕变试验,对模型参数的辨识进行解释,并将该模型的蠕变拟合曲线与实验的蠕变曲线进行对比。研究结果表明:该模型能很好地描述了岩石的加速蠕变特性。

向家坝水电站坝基挤压带岩石三轴蠕变试验及非线性黏弹塑性蠕变模型研究

基于岩石常规三轴蠕变试验成果,研究向家坝水电站坝基挤压破碎带砂岩蠕变力学特性,分析岩石轴向和侧向蠕变规律。在低应力水平下,岩石仅发生衰减蠕变和稳态蠕变,而且稳态蠕变阶段的应变速率为非零常数,蠕变量不可忽视,岩石变形满足Burgers蠕变模型。当应力达到一定水平时,岩石经过衰减蠕变和稳态蠕变之后发生加速蠕变破坏。不同围压下蠕变破坏特征不同,尤其是加速蠕变启动时间的差别较大,据此提出加速蠕变启动元件。通过将加速蠕变启动元件与Burgers模型串联,建立一个新的岩石六元件非线性黏弹塑性蠕变模型,并从理论上对其蠕变力学特性进行讨论。推导三维应力状态下的岩石蠕变本构模型公式,研究蠕变参数辨识方法。通过与试验曲线的比较,显示所建非线性蠕变模型的正确性与合理性。

岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究及其参数识别

基于岩石加速蠕变阶段的力学状态特征,提出一个非线性黏滞系数的牛顿体,建立一个新的岩石非线性黏弹塑性蠕变模型,该模型能够很好地模拟岩石非线性蠕变的衰减、稳态和加速蠕变3个阶段,而且在一定条件下该模型可以蜕变为Burgers或西原模型;基于提出的非线性蠕变模型,推导岩石在不同恒定荷载情况下的蠕变方程,分析岩石蠕变的非线性特征。采用岩石全自动三轴流变伺服仪,对锦屏一级水电站工程左岸高边坡砂板岩和大理岩进行三轴蠕变力学试验,获得典型的岩石加速蠕变曲线。将Quasi-Newton算法(BFGS)嵌入到最小二乘法(LSM)中,提出BFGS-LSM算法,该方法能够快速准确地逼近精确解,并且不易收敛于局部极小点;采用该算法,利用获得的岩石全程三轴蠕变试验结果,对岩石非线性黏弹塑性蠕变模型参数进行辨识,辨识的结果和试验曲线吻合较好。

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。

改进的岩石非线性黏弹塑性蠕变模型及其硬化黏滞系数的修正

基于蠕变过程中的硬化-损伤机制,在对江西东乡铜矿砂质页岩单轴循环加卸载蠕变试验数据分析过程中,提出硬化-损伤效应的时效机制,并基于此对高应力条件下衰减蠕变阶段的黏滞系数(硬化黏滞系数)进行修正;结合定常蠕变阶段的损伤蠕变机制,提出高应力条件下岩石损伤效应的累积-扩散机理,并据此引入以累积损伤蠕变量为判定准则的加速蠕变触发模型(非线性蠕变体)描述岩石的不稳定蠕变特征。在此基础上,引入瞬时塑性元件,与虎克体和黏弹塑性体串联,建立了一个能够完整描述岩石蠕变全过程的非线性黏弹塑性蠕变模型。试验曲线与模型曲线较吻合,说明对高应力下硬化黏滞系数修正的必要性,改进非线性蠕变体的正确性与合理性。

基于应变屈服临界的岩石黏弹塑性蠕变模型研究

为了研究岩石的非线性加速蠕变特性,依据岩石蠕变变形不同阶段的力学特征,划分出了岩石由变形发展至破裂需经历的不同黏弹塑性状态,并给出了相应状态的蠕变力学特性。假定岩石在三轴压缩试验条件下,发生延性剪切破坏,推导了应变空间Drucker-Prager准则的临界状态转化的最大剪应变判别式。基于Perzyna黏塑理论,考虑后继屈服硬化作用,引入统计损伤因子,构建了能描述非线性加速蠕变特性的黏弹塑性损伤演化模型;采用岩石全自动伺服三轴蠕变试验机对三峡库区典型砂岩试样开展了蠕变试验,得到了岩石试样在不同应力水平作用下的蠕变变形曲线。结果表明:蠕变试验中,岩样力学性质的时效特征显著,在最后一级应力水平作用下发生了非线性加速蠕变现象。基于提出的黏弹塑性蠕变模型对试验曲线进行拟合,拟合结果说明模型能够较好地反映砂岩蠕变3个阶段变形的规律特征,拟合效果较好。

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。

基于颗粒流程序的黏弹塑性本构模型开发与应用

在深入研究西原体模型黏弹塑性特征的基础上,推导出不同塑性条件下的流变特性方程,并将其推广到离散单元法中,研究了颗粒间力与位移关系的数值积分方案,总结出颗粒流程序中接触本构模型开发方法,并基于二维颗粒流程序(PFC2D)开发出具有黏弹塑性特征的西原体接触本构模型。通过两个互相接触的固定球体之间的应力松弛试验,分3种情况验证了模型编制的准确性。利用取自张家洼铁矿巷道内的岩石试样,通过单轴和三轴压缩试验获取计算参数,并进行了单轴压缩蠕变试验的模拟,通过与室内蠕变试验结果的对比,验证了PFC2D中自定义西原体模型用于岩石流变特性研究的可行性。利用西原体模型与线弹性模型对D型深埋巷道进行分析计算和破坏模式研究,结果显示,西原体模型预测结果与Hoek-Brown准则理论结果更为接近。在围岩蠕变作用下,巷道两帮变形量大于顶板和底板,破坏程度更为严重,计算结果与现场监测数据基本吻合。根据巷道长期稳定性的要求,提出着重支护两帮的治理建议。

片麻状花岗岩热黏弹塑性损伤蠕变模型及应用研究

随着地下工程开挖深度的增加,高地温和高地应力将导致岩石产生显著的蠕变变形,为保证地下洞室的施工和运行安全,研究温度-应力耦合作用下岩石蠕变力学特性具有十分重要的作用。以新疆齐热哈塔尔水电站引水隧洞高温段的片麻状花岗岩为研究对象,通过不同温度和应力作用的三轴蠕变试验,获得了考虑不同温度影响的片麻状花岗岩的蠕变变形规律。基于蠕变试验成果,提出了考虑热力耦合作用的热黏弹塑性损伤蠕变模型,建立了片麻状花岗岩的热黏弹塑性损伤蠕变本构关系,推导了其一维和三维热黏弹塑性损伤蠕变方程,有效反演获得岩石的蠕变力学参数,揭示出典型高、中、低应力状态下温度对片麻状花岗岩蠕变特性的影响规律,研究成果为工程长期稳定性分析提供了重要理论依据。

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．

考虑加速蠕变的深井巷道粉砂岩非线性黏弹塑性蠕变模型研究

围岩流变特性是影响巷道工程安全性和稳定性的关键因素之一,本构模型的研究是岩石流变力学理论研究中最基本最重要的组成部分,同时也是将试验研究成果应用于实际工程的必要环节。综合采用试验研究、理论分析和数值试验模拟分析等研究方法,对淮南矿业集团朱集煤矿千米深井巷道粉砂岩的流变力学特性和本构方程的构建进行了分析研究。在参考大量相关理论和试验资料的基础上,提出改进的与应力以及时间有关的指数函数形式的非线性黏塑性元件,将之与Burgers蠕变模型串联形成能够模拟岩石三阶段蠕变特性的六元件组合模型。对朱集煤矿深井巷道粉砂岩进行高围压状态下三轴蠕变试验,获得了不同应力水平下的蠕变曲线,依据测得的轴向蠕变曲线对所提出的六元件蠕变模型进行参数辨识,验证了模型的合理性。

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。

一种新的岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究

为了克服传统元件组合模型不能描述岩石蠕变过程中非线性特征的缺陷,首先根据加速蠕变阶段的应变和应变率随蠕变时间急剧增大的特点,建立黏塑性应变与蠕变时间的指数函数关系并提出非线性黏塑性体.将该非线性黏塑性体与广义Burgers蠕变模型串联,建立可以描述岩石全蠕变过程的非线性黏弹塑性蠕变模型,根据叠加原理得到一维应力状态下的轴向蠕变方程.然后基于塑性力学理论指出岩石三维蠕变本构方程建立过程中的不足之处,并给出非线性黏弹塑性蠕变模型合理的三维蠕变方程.最后采用不同应力水平下砂岩轴向蠕变试验对模型合理性进行验证,结果表明:拟合曲线与试验曲线吻合度较高,所建蠕变模型能够很好地描述砂岩在不同应力水平下的蠕变变形规律,尤其对加速蠕变阶段的非线性特征描述效果很好,验证了模型的合理性.