基于均匀化理论的水合物沉积物修正Duncan-Chang本构模型

为了精确地描述水合物沉积物在外荷载作用下的变形,首先,基于Mori-Tanaka均匀化理论提出一种水合物沉积物等效弹性参数的有效预测方法;其次,考虑水合物胶结对沉积物侧向应变的影响,采用岩土复合体理论建立水合物沉积物的修正Duncan-Chang本构模型;最后,探讨模型参数对材料的宏观本构响应的影响,并将模型预测结果与室内三轴试验结果进行对比。研究结果表明:基于Mori-Tanaka均匀化理论的修正Duncan-Chang本构模型不仅能够较好地模拟在低饱和度高围压条件下的应变硬化现象以及在高饱和度低围压条件下的应变软化现象,也能够较好地预测水合物沉积物的侧向变形。水合物沉积物在外荷载作用下的变形主要受到与水合物饱和度和有效围压有关的模型参数的综合影响,模型参数a,b和c分别反映了水合物沉积物的刚度、强度和脆性。而侧向应变的取值主要受到模型参数f,m和n的综合影响,模型参数g的影响并不明显。

在ABAQUS中开发实现Duncan-Chang本构模型

美国 HKS 公司开发的软件产品 ABAQUS 是目前世界上最强大的非线性有限元分析工具之一。该软件包括了众多材料本构模型,但尚缺少国内外土工数值分析中广泛采用的 Duncan-Chang 本构模型。这一缺憾影响了 ABAQUS 软件在土工分析中的应用范围。本文旨在介绍 ABAQUS 中开发 Duncan-Chang 材料本构模型实现方法,给出了开发过程的概要,完成了两个典型常规三轴压缩模型问题数值测试。结果表明:在 ABAQUS 中增加 Duncan-Chang 材料本构模型后,不仅可以充分地利用该软件强大的非线性求解平台,而且还有可能完成复杂土工应力应变的有限元数值分析问题,同时,具有计算速度快、计算精度高和前后处理快捷方便的优点,极大地降低了土工分析程序开发的难度,并减少了维护工作量。

Ansys中Duncan-Chang本构模型的二次开发

Ansys作为国际大型通用有限元软件,自带了许多本构模型,却并没有收入Duncan-Chang本构模型.为了弥补这一缺陷,拓宽其在岩土工程中的应用,以Ansys自带的UPFs二次开发平台成功开展了Duncan-Chang本构模型的二次开发工作,给出了基本步骤和编程要点,并在三轴压缩试验中采用100～400 kPa 4种不同围压,对模型的应力-应变关系及不同应力路径下的结果进行了准确性验证.结果均在误差范围内,表明本程序可为复杂的岩土工程数值分析提供参考.

基于耗散能演化的层状黄砂岩损伤本构模型及其验证

层理构造影响工程岩体力学性质及稳定性.为探究层理倾角对岩石变形损伤过程的影响,开展了0°,15°,30°,45°,60°,75°,90°共7种不同层理角度的黄砂岩纵波波速测试和单轴压缩试验,分析了层理角度对黄砂岩峰值强度、弹性模量及破裂模式的影响,基于弹性模量劣化程度和耗散能演化特征分别表征黄砂岩初始层理损伤变量和荷载损伤变量,并借助Logistic函数模拟了层理与荷载耦合损伤变量演化全过程,探讨了层理角度对黄砂岩损伤演化规律的影响,进一步结合损伤力学理论与有效介质理论,建立了能够模拟单轴压缩下层状黄砂岩变形全过程的分段本构模型.结果表明:随层理倾角增大,黄砂岩纵波波速逐渐增大,峰值抗压强度和弹性模量呈现先减小后增大再减小的倒N型变化趋势,各向异性特性明显;黄砂岩破裂模式与层理倾角密切相关,倾角在0°~60°范围内时,主要发生穿切层理弱面的劈裂型张拉破坏,倾角为75°和90°时,岩样发生沿层理弱面的剪切滑移和劈裂张拉破坏;基于耗散能表征的损伤演化曲线可分为初始无损伤、损伤开始、损伤加速及损伤减速终止4个过程,借助Logistic函数构建的理论损伤模型可以很好的模拟和预测层状黄砂岩损伤演化全过程;初始层理损伤最大值与最小值之比约为1.41,表明层理倾角对黄砂岩初始损伤影响较大;建立的分段本构模型可以较好的描述层状黄砂岩单轴压缩应力–应变全过程,且理论模型曲线与试验数据吻合度高.

红层泥岩填料的力学特性及本构模型研究

在红层泥岩地区进行道路工程施工时,考虑到材料短缺和成本问题,常常采用就地取材的方式作为路基填料。为了研究红层泥岩填料的适用性,选取甘肃省永登县某工点的风化红层泥岩填料为研究对象,在室内开展一系列三轴CU剪切试验,探究含水率、围压和压实度对应力-应变曲线、峰值(残余)强度、抗剪强度指标的影响,并对不同类型的应力-应变曲线,分别采用相应的模型进行拟合。研究结果表明:含水率、围压和压实度对其物理力学特性具有显著影响;对符合应变软化型规律的曲线,采用沈珠江的双曲线模型拟合的规律一般;对符合应变硬化型规律的曲线,采用Duncan-Chang模型拟合的规律较好。研究结果可以为甘肃省红层泥岩路基的病害处治与维修提供参考依据。

基于统计损伤修正的冻结砂—黏混合土改进Duncan-Chang模型

为描述冻结砂—黏混合土的偏应力—应变关系,进行不同含砂量冻结砂—黏混合土的冻土三轴压缩试验。基于改进的Duncan-Chang模型(D-C模型),引入统计损伤理论,拟合三轴压缩试验结果,分别建立以Mises强度准则和应变发展为微元强度变量的统计损伤修正模型,对比计算结果与试验数据。结果表明:冻结砂—黏混合土偏应力峰值随含砂量的增加而增加,偏应力—应变曲线由应变硬化型逐渐过渡到应变软化型的临界含砂量为50%。当含砂量介于20%~60%时,基于统计损伤理论的修正改进D-C模型能有效拟合应变硬化型曲线和具有轻微应变软化现象的偏应力—应变曲线。当含砂量为90%时,基于应变发展的统计损伤修正模型的偏应力峰值与试验结果相差3%,具有较强适用性。该结果为不同微元强度变量的统计损伤修正模型提供参考。

CO_(2)−荷载耦合作用下煤体细观统计损伤本构模型及验证

CO_(2)吸附会对煤体产生损伤劣化作用进而降低其稳定性,对CO_(2)封存的长期安全性提出挑战,明确CO_(2)劣化作用并建立本构模型至关重要。采用损伤力学理论和统计理论推导出能够综合反映CO_(2)吸附和荷载耦合作用下煤体总损伤变量的计算公式,并重点考虑了压密段的影响,分段建立了CO_(2)作用下煤体的细观统计损伤本构方程,明确了模型各参数的确定方法。最后通过CT扫描实验系统、MTS 816实验系统确定了本构模型参数,并采用自主研制的气−固耦合实验系统对不同CO_(2)压力下煤体进行了单轴压缩实验,验证了模型的合理性。研究结果表明:①基于CT扫描获取的裂隙率和运用Weibull分布理论分别定义了吸附和受载作用下的损伤变量,结合损伤理论进一步得到二者耦合作用下的总损伤变量,并建立了细观统计损伤本构模型;②基于CT扫描技术的裂隙三维重构真实反映了CO_(2)作用前后裂隙扩展特征,CO_(2)压力越高,裂隙扩展越充分,煤样三维裂隙参数和损伤变量越大,所形成的空间裂隙网络越复杂;③CO_(2)对煤体力学性质劣化作用显著,煤体的抗压强度与弹性模量随CO_(2)压力增加分别降低了49.78%和22.63%,CO_(2)对煤体的溶胀效应、塑化效应和气楔效应的综合作用导致了力学参数的降低;④建立的CO_(2)作用下煤体细观统计损伤模型理论曲线与单轴实验曲线具有较高的吻合度,说明损伤本构模型能够较好地反映出CO_(2)对煤体力学特性的损伤劣化作用,体现了损伤本构模型及模型参数确定方法的合理性与适用性。

TRIP980钢的组织性能调控与动态本构模型

设计了一种相变诱导塑性(TRIP)钢,研究了贝氏体等温温度对力学性能和微观组织的影响。针对最优工艺,研究了10^(-4)~10^(3) s^(-1)应变速率范围内的动态力学性能,构建并修正了动态本构数学模型。结果表明:当贝氏体等温温度为380℃时,实验钢具有最优的静态力学性能(应变速率10^(-3)s^(-1)),屈服强度达到705 MPa,抗拉强度达到1005 MPa,伸长率为16%,强塑积达到了1.6 GPa·%。应变速率的变化对实验钢的硬化行为和TRIP效应的发生有明显的影响。当应变速率达到10^(3) s^(-1)时,屈服强度和抗拉强度分别达到了815和1145 MPa,分别提高了12.4%和13.9%。经A4系数修正后的动态本构数学模型表明,R值和eAARE的平均值分别达到0.9895和27.5%,具有较精确的预测精度。

粉砂质泥岩蠕变特性与非线性黏弹塑性本构模型

针对边坡、隧道工程中粉砂质泥岩长期稳定性问题,采用DZSZ-150型多场耦合岩石三轴压力试验机,利用粉砂质泥岩相似材料试样,开展不同围压下粉砂质泥岩蠕变试验。根据蠕变试验结果建立可描述粉砂质泥岩蠕变全过程的非线性黏弹塑性本构模型,以7 MPa围压下蠕变试验结果为例,对所提出的蠕变本构模型进行合理性和可行性验证。结果表明:试样的稳态蠕变速率与偏应力大小有关,随着偏应力的增加,试样稳态蠕变速率与偏应力之间符合指数函数关系;在加速蠕变阶段的蠕变速率相对低偏应力水平下减速蠕变和稳态蠕变速率明显要增大很多,且非常短时间内就发生了蠕变破坏;提出一种描述粉砂质泥岩全蠕变过程的非线性黏弹塑性本构模型,该模型能描述粉砂质泥岩蠕变-破坏全过程的蠕变变形规律,反映了粉砂质泥岩在不同偏应力水平作用下的蠕变特性,克服了经典模型中无法准确描述加速蠕变过程的难题。

静力荷载作用下微观负泊松比锚杆的本构模型

微观负泊松比(NPR)锚杆具有高应力和高均匀延伸的力学特性,但其本构模型的研究还不够深入。故对此开展了静力荷载作用下微观NPR锚杆的拉伸试验,研究了静力拉伸过程中微观NPR锚杆的应变场演化规律,得到了静力荷载作用下微观NPR锚杆的应力-应变关系曲线。基于试验结果,建立了微观NPR锚杆的本构模型,并将该本构模型嵌入到ABAQUS有限元软件中,开展了静力荷载作用下微观NPR锚杆的数值分析。对比试验结果和数值分析的结果可以看出,两者具有较好的一致性,表明所建立的本构模型能够较好地表现微观NPR锚杆的力学特性。

用于三维机织物预成形变形预测的各向异性超弹性本构模型

随着三维机织物逐渐广泛应用在航空发动机叶片、机匣等复杂曲面结构的制造方面,预测三维碳纤维机织物在曲面结构制造的预成形过程中的复杂变形行为对提升纤维结构的成形质量具有重要意义。基于连续介质力学理论,本文提出一种各向异性超弹性本构模型描述三维机织物在成形过程中由于大变形所引起的各向异性力学变形行为。通过三维机织物的变形试验,建立了应变能密度函数,获取了三维机织物材料参数,并通过偏轴拉伸、半球冲压预成形有限元仿真与试验对比,验证了本文提出的超弹性本构模型的有效性。超弹性本构模型的提出可对三维机织物成形的有限元仿真模型与成形工艺优化设计起指导作用。

基于正交切削逆识别井下管柱的Johnson-Cook本构模型

在有限元仿真金属切削过程中,本构模型是仿真的基础,目前井下生产管柱J55油管材料的本构模型参数尚不明确,为此,提出一种基于正交切削理论逆识别油管材料Johnson-Cook(J-C)本构模型参数的方法。首先,通过准静态拉伸试验得到油管材料的应力-应变曲线,根据曲线拟合确定J55油管的初始屈服强度A、应变硬化系数B和应变硬化因子n;其次,通过正交切削试验获得切削力以及进给力,根据正交切削试验和平行剪切区模型,计算正交切削过程主剪切区中的流动应力、应变、应变率以及切削温度,并将这些参数与计算出的A、B、n代入J-C模型中,得到多组应变率敏感性参数C以及热软化效应参数m,从而确定其约束范围;第三,采用自适应权重粒子群算法在约束范围中搜索出参数C和m的最优值,进而确定J55油管材料本构模型参数;最后,使用逆识别法得出的J-C本构模型进行有限元仿真,将仿真结果与试验结果进行了对比。研究结果表明:与试验相比,有限元仿真的切削力和进给力最大相对误差分别为14.4%和13.64%,有限元仿真模拟温度与实际测量温度的最大相对误差为10.57%,仿真模型和实际切削过程在切屑形态上表现出了一致规律,验证了逆识别方法可行性和本构模型的可靠性。

冲击载荷下煤样动力学响应特性与损伤本构模型

为研究深部煤体动载响应规律,采用分离式霍普金森压杆试验系统对信湖矿煤样开展了不同应变率的单轴冲击压缩试验。研究结果表明:冲击载荷下煤样动态抗压强度强度具有明显的应变率效应,且随着应变率增大,应变硬化现象愈发明显;煤样反射能、透射能、吸收能、耗能密度与应变率呈一次函数关系,耗能占比与应变率呈指数型函数关系,且均保持正相关。基于经典朱-王-唐模型、Weibull分布、Drucker-Prager准则,建立了考虑煤样损伤与黏滞性特征的动态统计损伤本构模型,并对本构模型的准确性与普适性进行了验证。该模型能够较好地描述煤样冲击动态力学行为,为动载影响下深地煤炭安全开采提供了基础研究。

早龄期机制砂混凝土抗压强度与弹性模量时效关系及本构模型试验研究

为了研究早龄期机制砂混凝土在单轴受压状态下抗压强度与弹性模量的时效关系和本构模型,通过对8组不同龄期的C60机制砂混凝土试件进行立方体抗压强度试验、静力受压弹性模量试验和单轴受压应力-应变曲线试验,并参考多种已有研究模型,建立了早龄期机制砂混凝土在单轴受压状态下的抗压强度与弹性模量时效关系模型和分段式应力-应变本构模型。结果表明,采用的抗压强度与弹性模量时效关系模型和分段式应力-应变本构模型与试验数据吻合效果理想,能够较好地描述早龄期C60机制砂混凝土在单轴受压状态下的力学性能。

长期贮存发动机中HTPB推进剂老化特性及蠕变本构模型

为了研究固体火箭发动机长期贮存期间老化对推进剂力学性能的影响,开展了三种温度(50℃,60℃与70℃)下为期60天的高温加速老化试验。对老化前后HTPB推进剂进行了定速拉伸试验与蠕变试验,并采用扫描电镜观察了其表面细观形貌。引入扩裂元件,结合Arrhenius方程,建立了含老化因子的推进剂蠕变全过程本构模型,利用试验数据拟合了模型参数并验证了其有效性。结果表明:随着老化进程的加剧,推进剂最大伸长率逐渐减小,最大抗拉强度会依次出现下降、波动、上升三个阶段。所建本构模型能较好地表征贮存1.5年后推进剂的蠕变全过程,预测曲线与试验结果曲线最大误差为13.35%。

Waspaloy镍基合金高温流变应力及其本构模型构建

针对涡轮发动机涡轮叶片复杂应力状态下的时效变形问题,以涡轮叶片材料Waspaloy镍基合金为研究对象,开展Waspaloy镍基合金时效处理,完成时效态Waspaloy镍基合金600、700和750℃准静态高温力学拉伸试验。利用Ludwik和Hollomon经验公式预测Waspaloy镍基合金高温塑性段流变应力,引入平均误差(the mean error,E_(r))和均方根误差(root mean square error,RMSE)评价流变应力的预测准确度。结果表明,时效处理后合金的硬度得到有效提升,而其塑性性能有所降低。Waspaloy镍基合金的抗拉强度和延伸率在600~750℃区间范围内与加载温度呈负相关关系。Ludwik模型较Hollomon模型有更高的流变应力预测精度,而在高温高应变区域Ludwik模型预测流变应力仍存在较大误差。在Ludwik模型的基础上引入指数项,修正后的Ludwik模型能更好地预测Waspaloy镍基合金高温塑性段的流变应力。

基于Davidenkov本构模型的三维沉积盆地非线性地震动谱元法模拟

为研究三维沉积盆地内低波速土体非线性反应对近断层地震动的影响,实现基于物理的全过程(震源破裂-地震波传播-复杂场地效应-近地表土体非线性反应)三维复杂场地地震动模拟,在谱元SPECFEM3D程序中进行二次开发,采用目前具有丰富工程应用且适用于不同土类的三参数Martin-Seed-Davidenkov本构模型,结合已有的不规则加卸载准则,通过在程序中修改每个显式时间步下的应力增量,实现了土体剪切模量的实时更新和加卸载拐点的有效识别,将土体的非线性特性纳入到三维复杂场地地震动模拟中。首先将建立的三维模型通过施加合理边界退化至一维,与一维非线性动力分析软件DEEPSOIL的结果进行了对比,验证了开发的正确性;进而将开发的程序应用于中国滇西南地区施甸盆地的非线性地震动模拟,并与相应的线性结果进行了对比。结果显示,受土体非线性的影响,施甸地区PGA和PGV较线性结果峰值均降低,且非线性土体对PGV的影响更加明显,较线性结果最大降低约30%;沉积非线性使沉积内部观测点的速度及其反应谱幅值降低,且特征频率向长周期方向移动。

基于Weibull分布的石砌体单轴受压损伤本构模型

石砌体的本构模型是石砌体力学计算和有限元数值模拟的重要基础和前提条件。为了深入研究石砌体单轴受压下的本构关系,基于损伤力学理论,应用双参数Weibull分布函数反映损伤变量,根据石砌体单轴受压应力-应变全过程曲线的特征条件确定其参数,推导并建立了石砌体单轴受压损伤本构模型,将已有试验数据验证本构模型的正确性,并将本构模型与典型的砌体本构模型进行对比分析,最后应用本构模型对已有石砌体拱桥试验进行有限元分析以验证本构模型的适用性。结果表明:所建模型与已有石砌体单轴受压试验结果吻合良好;所建模型验证了石砌体损伤演化的一般规律,符合典型的砌体本构模型的一般趋势;所建模型可应用于石砌体结构有限元分析计算,适用性良好。

黄土盾构隧道开挖围岩扰动特性模型试验研究

为了探究不同含水率和埋深等工况下的黄土盾构隧道开挖对围岩的扰动作用特征,采用相似模型试验,首先通过三轴试验测定了不同含水率下原状黄土物理参数及强度指标,通过大量试配得到了不同含水率下与原状黄土强度指标参数相似的试验用土。其后,考虑盾构隧道盾尾间隙特征,开展不同含水率及埋深等组合工况下盾构开挖模拟试验,通过微型土压力传感器、百分表等监测元件以及数字图像技术等手段,分析了不同工况下地层变形、地表沉降和围岩应力的变化规律。研究发现:含水率较低时,围岩的自稳能力强;含水率越高,埋深越大,开挖对地层的扰动作用也越大;地表最大沉降值与含水率呈正相关,与埋深呈负相关;围岩剩余应力随含水率和埋深的增大而增大,但当含水率增大至一定值(26.6%)时,围岩剩余应力骤减;基于不同含水率下的围岩应力及变形发展规律,可将黄土含水率分为自稳、形变以及松动含水率,基于含水率和埋深引起的围岩松动情况,可将不同工况下的黄土盾构隧道围岩压力作用模式按照形变压力和松动压力计算,以更加适应黄土地层的特性。

QN1803奥氏体不锈钢温热本构模型构建

基于QN1803奥氏体不锈钢在塑性变形过程中存在的马氏体相变现象,提出采用基于热激活位错运动理论的物理基Zerilli-Armstrong(Z-A)模型,构建了其温热成形时的修正本构模型。采用Gleeble-3800热模拟试验机,对QN1803奥氏体不锈钢在温度为25~200℃、应变速率为0.001~0.1 s^(-1)的变形条件下进行了温热拉伸试验,基于试验结果分析了QN1803奥氏体不锈钢的温热流变行为,构建了QN1803奥氏体不锈钢在温热成形条件下的修正Z-A本构模型,并对模型精度进行了评估。结果表明,在25~100℃范围内,随着应变速率的增加,拉伸试样中的马氏体含量迅速减少。在各应变速率下,随着温度的升高,马氏体含量也迅速减少。采用相关系数R和平均绝对相对误差E AR量化了本构模型的精确度,修正的Z-A本构模型的R和E AR的值分别为0.998和1.225%,能较好地描述QN1803奥氏体不锈钢的温热流变行为。