基于Drucker-Prager屈服准则的岩石损伤断裂分析

为研究基于Drucker-Prager屈服准则下,岩石内部的裂纹对岩石的损伤断裂破坏的影响。推导了裂纹尖端应力强度因子的计算公式,研究了饱水状态下岩石的化学侵蚀和物理侵蚀以及渗透水压力对裂隙扩展的影响,并通过COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件对岩石损伤变化进行了模拟。研究表明,片岩裂纹扩展的模式主要为张拉破坏。在渗透水压力作用下,当裂纹倾角为180°时,岩石的塑性半径始终为0。裂纹倾角在90°时,岩石的塑性半径最大,且渗透水压力增加,塑性半径的值减小幅度较大。数值模拟中基于D-P模型,模拟得到了裂缝等效塑性应变区域为裂缝端部位置,最大数值为0.42,岩石整体的变形形式主要表现为垂直位移,而裂纹的垂直位移最大为4.7 mm。通过以上分析模拟,可以进一步获悉岩石中裂纹对岩石自身损伤断裂的影响。

基于Drucker-Prager准则的岩石弹塑性损伤本构模型研究

大多数岩石材料软化本构模型在硬化函数中引入塑性内变量来表示材料的硬化/软化性质,但并不能反映岩石微裂隙损伤对材料力学性能的影响及单轴拉伸和压缩所表现的初始屈服强度f0与屈服极限fu的差异。基于D-P准则同时考虑塑性软化及损伤软化,建立岩石类材料的弹塑性本构关系及其数值算法。塑性屈服函数采用Borja等的应力张量的硬化/软化函数,反映塑性内变量及应力状态对硬化函数的影响;由于岩石损伤软化是微裂隙扩展所导致的体积膨胀引起的,因此,提出用体积应变表征岩石损伤变量的演化,并用回映隐式积分算法编制了岩石的弹塑性损伤本构程序。对单轴压缩及拉伸荷载作用下的岩石材料试验进行数值模拟,结果表明,所提出的岩石弹塑性损伤本构模型可以较好地符合岩石材料的力学特性。

基于Drucker-Prager准则的扩孔器单齿正交切削岩土三维力学模型

扩孔器是定向穿越扩孔钻进阶段进行岩土切削的主要工具,合理的结构设计是提高扩孔时效、降低工程复杂问题出现几率的主要手段,且由于扩孔阶段是决定定向穿越工程工期的最主要阶段,因此,对扩孔器切削齿的切削效率进行深入研究是非常必要的。从单齿正交切削岩土的机制入手,综合考虑岩土与切削齿面之间的接触摩擦及岩土剪切区的剪切作用,分析了单齿正交切削岩土的力学特征,基于能够考虑中间主应力对岩土破坏影响的Drucker-Prager强度准则,推导了单齿正交切削岩土的主切削力与主切削力矩计算公式;在利用有限元计算程序对所推导公式进行验证的基础上,优选了剪切角计算模型,获得了不同岩土材料时的主切削力解析解,并分析了不同齿前角对主切削力的影响规律,从而获得单齿正交切削岩土的最优齿前角,为进一步研究扩孔器整体结构设计并针对不同岩土介质设计出适应性更强的扩孔器结构奠定基础。

基于线性Drucker-Prager模型的PBX准静态弹塑性变形分析

根据高聚物粘结炸药(PBX)的力学特性,将线性Drucker-Prager模型引入到PBX材料的弹塑性变形研究中。基于线性Drucker-Prager模型,结合经典塑性理论,分析了PBX准静态弹塑性变形过程。明晰了其后继屈服面的特征,推导了其刚度算法,构造了其弹塑性本构模型。从理论上分析了单轴压缩状态、双轴压缩状态条件下的应力应变关系。利用线性Drucker-Prager模型模拟了PBX材料的单元特性。结果表明,其单轴压缩模拟结果和双轴压缩模拟结果均与理论分析结果、实验数据一致。经对比,双轴压缩的极限强度是单轴的1.16倍,相应塑性应变是其0.5倍。

混凝土非线性分析中的非协调参数Drucker-Prager模型

为了克服现有混凝土数值计算模型在滞回分析中的收敛困难问题,结合经典Drucker-Prager(D-P)模型的Cap修正屈服准则,提出采用非协调参数D-P模型模拟混凝土。通过数值模拟手段,经过大量试算提出了非协调参数α和k的合理取值范围。并且,采用非协调参数D-P模型分别模拟了钢筋混凝土梁在跨中单调荷载下的受力行为,以及钢筋混凝土柱和型钢混凝土柱在低周往复荷载下滞回性能,并通过与试验结果的比较验证了这个模型的有效性。利用这一特点,可通过数值计算手段获得混凝土构件在循环荷载下的恢复力模型,从而有效地节省试验资源。

基于修正Drucker-Prager Cap模型的金属粉末成形本构模型参数确定方法

针对修正Drucker-Prager Cap模型参数复杂且难准确获取的问题,提出一种采用相对简单实验操作结合联合仿真反演优化确定模型参数的方法,用于金属粉末成形的数值模拟。首先通过实验分析与理论推导,确定重点反演优化参数,即偏心距参数R;采用联合仿真反演优化方法,借助ABAQUS有限元及二次开发平台与MATLAB优化算法,对参数R进行反演计算,进而完成相关硬化参数的确定;以金属粉末Distaloy AE为例,讨论参数R不同函数表达形式的反演结果对粉末压制成形过程数值模拟的影响。研究结果表明,偏心距参数R2及其关联的硬化参数比R1在压制力、脱模力、相对密度和残余应力数值模拟方面具有更高的准确性。

粘弹-塑性海冰动力学本构模型中的Drucker-Prager屈服准则

针对中小尺度下海冰动力作用过程中的漂移和堆积特征,在粘弹-塑性海冰动力学本构模型中引入了Drucker-Prager(D-P)屈服准则。该模型在海冰屈服前采用Kelvin-Vogit粘弹模型,屈服后采用相关联的正则流动法则。采用该模型对规则海区内的海冰堆积过程进行了数值试验,计算的海冰堆积高度与其解析解一致。另外,在对渤海海冰动力过程中的海冰厚度、密集度、速度以及冰内应力进行的48小时数值模拟中,计算的冰厚分布与卫星遥感资料相符合。基于D-P准则的计算结果与Mohr-Coulomb(M-C)准则的结果相一致,但D-P准则克服了M-C准则计算塑性应力时的奇异现象,进而简化了计算过程。在以上数值模拟中,均采用了光滑质点动力学计算方法。以上数值计算均验证了基于D-P屈服准则的粘弹-塑性本构模型在海冰动力学中的可靠性。

基于Drucker-Prager模型的振动压实有限元分析及试验研究

为了研究振动压路机压实特性及振动轮与土壤动态响应关系,利用ABAQUS建立了"振动轮-土壤"有限元模型,讨论了Mohr-Coulomb模型和线性Drucker-Prager模型间的关系及适用条件,分析了振动轮下土壤应力分布特性及土壤参数对振动轮动态响应的影响,并对模型进行了试验验证。结果表明:当摩擦角≤22°时,土体单元应当用Drucker-Prager模型;当摩擦角>22°时,土体单元应当用Mohr-Coulomb模型。土壤的竖向应力沿着振动轮轴向呈对称分布,在振动轮行进方向沿着前进方向偏移,且竖向应力随着土壤深度的增加而快速降低。在振动压路机合理工况内,保持工作参数不变,振动压路机振动轮垂直加速度有效值随着压实遍数增加,模型基本正确,得到了压实度与加速度有效值的回归方程,为新型压实度监测系统提供了思路。

基于修正Drucker-Prager准则的岩石次加载面模型

为模拟岩石在循环加、卸载作用下的变形特性,结合Drucker-Prager(简称D-P)屈服准则与次加载面理论,建立了能考虑岩石材料实际抗拉强度和应力角效应的循环加、卸载模型。首先考虑岩石在三轴压缩和在三轴拉伸状态下不同的强度特性,在传统的D-P屈服准则中引入角隅模型,并借鉴殷有泉提出的D-P-Y准则,形成了修正的D-P屈服准则;进一步结合修正屈服准则和次加载面理论,提出了适用于岩石循环加、卸载的次加载面模型,并通过自编程序,实现了循环加、卸载模型的数值表达与岩石循环加、卸载试验数值仿真。计算结果表明,基于修正D-P屈服准则的次加载面模型能较好地描述岩石的曼辛效应和棘轮效应;通过改变抗拉强度的大小,可以发现随着抗拉强度的减小,岩石的变形量相应增加,且增加的幅度逐渐提高,说明修正模型可准确反映抗拉强度对岩石的循环加、卸载变形的影响。

基于非协调参数Drucker-Prager模型的预应力节段拼装混凝土桥墩滞回性能研究

混凝土的数值计算模型在滞回性能分析中往往比较难收敛,利用有限元软件ADINA提供Drucker-Prager模型的Cap修正屈服准则确立的非协调参数Drucker-Prager模型对预应力节段拼装混凝土桥墩进行数值分析,对预应力节段拼装桥墩在低周往复荷载作用下的滞回性能进行分析。通过比较采用非协调参数Drucker-Prager模型建立的数值模型计算得到的滞回曲线与试验得到的结果,两者吻合程度较高。基于这一成果可以通过数值模拟的方式获得预应力节段拼装桥墩的滞回曲线与相关数据,可应用于预应力节段拼装桥墩抗震计算和设计。

基于Drucker-Prager准则的三维应力场下围岩塑性区近似解

为了研究三维应力场下巷道围岩的稳定性,基于Drucker-Prager准则,以弹塑性力学为理论基础,通过引入轴向应力解推导了三维应力场下的巷道围岩塑性区边界方程,对不同应力场条件下的围岩塑性区形态及尺寸展开分析,对比分析了巷道围岩的内聚力、内摩擦角、泊松比和巷道半径变化的条件下,5种Drucker-Prager系列屈服准则对塑性区形态及尺寸的影响,并基于演化特性提出实际工程意义。结果表明:水平侧压的增减对巷道围岩的塑性区形态影响程度较大,过高或过低的水平侧压会使巷道围岩呈蝶形扩展;轴向侧压的增减对巷道围岩的塑性区形态影响较小,对围岩的塑性区尺寸影响较大,相同水平侧压下,不同轴向侧压会使围岩的塑性区尺寸变化呈碗状发展;内聚力、内摩擦角和巷道半径变化时,不同Drucker-Prager准则下巷道围岩塑性区尺寸变化规律具有一致性,选取不同Drucker-Prager准则会对巷道围岩塑性区的计算结果产生影响。

钛合金粉末压制Drucker-Prager-Cap本构模型参数逆向识别

针对钛合金粉末压制成形,建立了Drucker-Prager-Cap本构模型参数的逆向识别流程。该流程结合模压实验,采用单纯算法,以数值模拟和模压实验的载荷-位移曲线差值最小化为目标函数。通过对传统实验和逆向识别两种方法进行比较验证,结果表明,经过逆向识别计算,目标函数值为0.0448。逆向识别有限元分析得到的最大压制力为36.18 kN,与模压实验值35.31 kN对比,误差为2.46%。且粉末的相对密度分布与实验结果基本一致,说明通过Drucker-Prager-Cap本构模型参数的逆向识别可以建立较为准确的本构模型。

基于Drucker-Prager/Cap模型的W–Cu20粉末轧制数值模拟

将Drucker-Prager/Cap塑性模型引入到高硬度W–Cu20粉末轧制有限元分析中,利用巴西圆盘试验、单轴压缩试验以及模压试验得到Drucker-Prager/Cap塑性模型参数,借助商业有限元软件ABAQUS以及Fortran自编的VUSDFLD子程序,建立粉末轧制的有限元模型,并与实际试验进行了比对。结果表明:模拟结果中的板料相对密度和板料厚度与实际实验结果吻合较好,最大误差为4.47%,说明Drucker-Prager/Cap塑性模型对粉末轧制工艺研究有参考意义。

隔离非线性平面应变单元模型及其在Drucker-Prager模型中的应用

提出了一种基于隔离非线性理论的平面应变单元分析模型。对于线性的四边形等参单元,采用2×2个高斯积分点作为单元的非线性应变插值点。考虑到平面应变单元面外无应变分量存在,故仅在面内的3个方向建立非线性应变场以及相应的控制方程。采用Woodbury公式与组合近似法联合求解控制方程,使得整个非线性分析过程仅为多次的初始弹性刚度矩阵回代计算以及稀疏矩阵与向量的乘积,极大地提高了控制方程的求解效率。基于时间复杂度的计算效率分析表明:所提算法的计算效率相对传统变刚度法显著提高,且相对于精确的Woodbury公式,则大大提高了非线性自由度的临界比例。将Drucker-Prager准则的转移应力解析解法用于典型平面应变模型的非线性分析,数值算例验证了平面应变单元模型的正确性以及算法的高效性,为平面应变类型的非线性分析提供了一种新思路。

基于Drucker-Prager模型的FRP约束混凝土力学性能分析

由于FRP布提供的约束效应,混凝土的抗压强度能够得到很大的提高。较之实验研究,有限元(FEM)分析具有花费低、易于参数分析和易于得到混凝土截面应力分布等优点。通过基于DruckerPrager模型的有限元方法研究了FRP约束混凝土的力学性能。本文改进了线性Drucker-Prager材料模型并通过不同种类的实验(FRP约束实心混凝土实验和FRP约束空心混凝土实验)验证了该材料模型的合理性。基于验证后的有限元模型,通过参数分析研究了不同混凝土截面的应力分布情况以及空心率和FRP约束刚度对FRP约束空心混凝土力学性能的影响。最后提出了针对FRP约束混凝土极限应力和极限应变的计算方法,预测结果和实验结果基本一致。

基于改进Drucker-Prager准则的GFRP管约束高强混凝土短柱单轴压缩分析模型

针对玻璃纤维增强聚合物(glass fiber reinforced polymer, GFRP)管约束高强混凝土短柱的受力特点,及传统Drucker-Prager (D-P)准则存在拉剪区偏大的问题,提出了一种改进的D-P型塑性约束高强混凝土短柱单轴压缩分析模型,其考虑GFRP管约束效应相关的混凝土硬化/软化规律和非关联流动准则,以提高GFRP管约束高强混凝土短柱单轴压缩下轴向和环向应力-应变曲线的预测精度。该模型在ANSYS软件中实现了GFRP管约束高强混凝土短柱力学性能的计算模拟,并与试验结果的对比表明:两者的应力-应变曲线吻合较好,提出的分析模型合理可靠。此研究可为GFRP管约束高强混凝土的设计提供理论参考。

FRP约束混凝土柱的修正Drucker-Prager模型

Drucker-Prager(DP)模型中,摩擦角和内聚力相关的参数决定屈服、硬化软化准则,与膨胀角相关的参数决定流动法则。通过对试验样本数据的分析,确定了摩擦角的影响因素,将摩擦角定义为塑性应变的函数;进而由DP模型的屈服准则更新了内聚力模型。通过计算侧向塑性应变与轴向塑性应变的比率,建立了考虑约束刚度比的膨胀角模型。基于ABAQUS中的USDFLD子程序对修正后DP模型参数实现自定义,结果表明提出的修正后的DP模型可以很好地预测FRP约束混凝土柱的应力-应变响应,具有一定的精度。

冷模压制Ti-6Al-4V粉末的修正Drucker-Prager Cap本构模型

通过单轴压缩实验、径向压缩(巴西圆盘)实验和冷模模压实验建立了基于密度相关修正Drucker-Prager Cap (DPC)的Ti-6A1-4V粉末压制本构模型,利用ABAQUS有限元仿真软件的二次开发用户子程序USDFLD对该本构模型进行了模拟验证.综合考虑压制过程中实验装置变形对实验数据的影响,通过空压校正实验控制实验误差,建立了更加准确的修正DPC模型.结果表明:修正DPC本构模型可很好地应用于Ti-6Al-4V粉末压制过程的仿真模拟;当上模冲压力较小时(<50 MPa),模壁摩擦系数随上模冲压力的增加逐渐减小,当上模冲压力较大时(>50 MPa),模壁摩擦系数随上模冲压力的增加而基本趋于稳定.

基于Drucker-Prager Cap模型的装配式混凝土箱涵节段滞回性能研究

在利用有限元软件ADINA对预制钢筋混凝土箱涵结构进行滞回性能分析中,计算往往比较难收敛,而ADINA中提供的基于Drucker-Prager屈服条件、拉伸截断、帽盖硬化等准则的Drucker-Prager Cap模型,在对混凝土进行数值分析时收敛容易,且计算速度较快,并通过比较,发现采用基于该模型建立的数值模型计算得到的滞回曲线与试验得到的结果吻合程度较高,模拟结果较为准确。这一成果可以通过数值模拟的方式获得预制钢筋混凝土箱涵的滞回曲线与相关数据,可应用于预制箱涵节段抗震计算和设计。

基于Drucker-Prager/Cap模型的Ti-30Cu粉末轧制过程模拟

对钛和铜质量比为7∶3的Ti-30Cu混合粉末进行单轴压缩、巴西圆盘和模压试验,获得该粉末Drucker-Prager/Cap本构参数与相对密度的关系;利用Abaqus软件建立粉末轧制模型,研究喂料高度对板料相对密度的影响,并进行了试验验证;采用该模型研究了辊缝宽度、轧速对Ti-30Cu合金板料相对密度的影响。结果表明:在辊缝宽度为1 mm、轧速为10 mm·s^(-1)条件下,随着喂料高度由150 mm增加到300 mm,板料的相对密度增大,模拟结果与试验结果基本吻合,最大相对误差为2.15%,验证了轧制模型的有效性;随着喂料高度的增加、辊缝宽度或轧速的减小,板料的相对密度增大。