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。

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。

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。

基于Drucker-Prager模型的受载层状土变形模拟分析

为了克服传统地基变形计算采用单一的岩土材料本构模型且仅在弹性的范畴单点逐次计算的困难,创建了一种网格子域系统分层法,推导了层状土内有效附加应力计算公式,建立了受载层状土竖向变形计算方法,基于MATLAB语言平台编写了层状土竖向变形SSBS分析程序,采用Drucker-Prager弹塑性本构模型并结合工程实测数据,计算分析了大型基础下受载层状土的基底竖向变形,计算结果得到了理论和工程实测数据的验证,提出的计算方法和分析程序能够有效地解决层状土的地基变形问题。

基于Drucker-Prager模型的沥青混合料细观尺度蠕变特性分析

长期行车荷载作用条件下沥青混合料具有典型的蠕变特性,然而宏观的室内性能评价试验难以表征细观结构对混合料蠕变性能的影响规律。本文基于粉胶比控制原理计算出最大公称粒径为1.18 mm的沥青砂浆级配,并通过回弹模量及静压单轴蠕变试验获得沥青砂浆相粘弹特性;基于数字图像处理技术建立考虑砂浆与粗集料二组分的沥青混合料细观结构模型,通过非线性拟合获取Drucker-Prager模型蠕变性能参数;利用有限元方法完成荷载作用条件下的模型蠕变分析。计算结果表明:模型结果在误差允许范围内可以表征材料的蠕变变形趋势,细观骨架结构、粗集料粒径尺寸及朝向的合理组合能提高沥青混合料承受长期行车荷载作用的能力。

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。

基于等效面积Drucker-Prager模型探讨边坡破坏机制

强度折减有限元法在边坡稳定性分析中得到了广泛应用。基于等效面积的D-P屈服准则如DP1,DP2,DP3,DP4等模型来模拟二维和三维边坡稳定状况,进行了边坡稳定性分析计算。得出不同折减系数下边坡中广义塑性应变的变化情况,结果表明用该模型能较好地模拟土坡的渐近破坏过程,有助于对边坡的破坏机制的更深层次的理解;并把计算结果和传统极限平衡方法进行了对比,表明三维稳定有限元分析可较二维有限元更加真实地反映边坡的稳定状况;基于等效面积的D-P屈服准则的DP3模型的计算比较真实,更好地模拟了边坡的破坏机制。

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Drucker-Prager模型的振动压实有限元分析

为了进一步研究振动压路机压实特性及振动轮与土壤动态响应关系,运用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。结果表明：（1）Drucker-Prager模型较适合于对土体单元进行建模,但要满足内摩擦角≤22°的条件,当内摩擦角〉22°时应当用Mohr-Coulomb模型对土体建模分析;（2）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,并且随着深度的增加土壤的竖向应力急剧减小。在压路机合理的工况范围内,激振力和激振频率保持不变,振动轮加速度与压实遍数呈现正相关。

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。

基于Drucker-Prager准则的岩石损伤本构模型

为解决用对数变换再线性拟合的方法求岩石损伤本构方程参数计算过程复杂、不利于计算机编程的问题,引入岩石应力-应变曲线特征参量,并考虑岩石应力-应变曲线的极值条件,给出了模型参数的解析式,从而建立了新的岩石损伤本构模型.通过与砂岩试件三轴压缩试验结果比较,证明所建立的模型可以很好地反映岩石的应力-应变关系.通过对参数m和F0的讨论,认为m和F0分别代表了岩石的脆性和强度,而弹性模量是参数m和F0的共同反映.

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/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。

基于一致性理论的Drucker-Prager材料弹黏塑本构模型

系统地论述了一致性理论的主要内容,推导了相关的黏塑性切线模量,并在前人工作的基础上研究了类Hoffman材料的推广条件及其一般性的推广方法;将线性Drucker-Prager模型(简称D-P)推广到一致性的黏塑性模型;给出了推广后模型的向后欧拉算法的有限元离散列式;最后将数值算例和试验成果进行对比,验证了一致性的线性D-P模型的有效性。