国产6061-T6铝合金的修正塑性本构模型

铝合金材料已广泛地应用于各种工程结构中。能准确描述铝合金在复杂应力状态下的塑性本构关系,对铝合金结构在复杂工况下的分析和设计具有重要意义。传统的von Mises屈服准则忽略了应力状态对金属塑性的影响,并不适用于复杂应力状态下的铝合金材料。通过试验证明了应力三轴度和Lode角均会对6061-T6铝合金的塑性行为产生影响,并在此基础上提出了适用于国产6061-T6铝合金在复杂应力状态下的塑性本构模型,并校准了全过程硬化规律和新屈服准则。通过试验和数值结果对比可知,该塑性本构模型可以精确地模拟国产6061-T6铝合金在复杂应力状态下的弹塑性行为。

基于塑性元件微元化的重塑黄土黏弹塑性本构模型

基于塑性元件微元化和无穷级数的思想,通过加、卸载条件的三轴蠕变试验建模并通过动力三轴试验验证,建立了重塑黄土的黏弹塑性本构模型,并获得了相应的参数指标。研究表明,该模型可以很好地描述重塑黄土的蠕变、静力和动力特性,且能更加合理地解释卸载条件下回弹曲线的变化特征。塑性元件微元化的处理方法弥补了以往黏弹塑性本构模型中塑性变形不易描述的缺点,相比其他的黏弹塑性本构模型,该模型应用更加简单且适用范围更广。

基于有限元分析的塑性混凝土本构模型对比研究

塑性混凝土力学性能介于混凝土与土体之间,其本构模型选择尚无统一标准。本文采用有限元方法,结合实例工程,分别采用塑性损伤和硬化土两种本构模型对塑性混凝土进行模拟,系统对比分析两种本构模型的计算差异性。结果表明,两种本构模型的计算结果规律基本一致,塑性损伤本构模型表达式简单,计算结果偏保守、安全,而硬化土体本构模型计算结果准确度更高,但模型参数测定较为复杂,后续可基于硬化土本构模型对塑性混凝土本构模型进行改进。

循环加载下压实黄土的边界面塑性本构模型

压实黄土的动应力应变关系预测是黄土高原平山填方工程长期运营涉及的关键问题之一,已有模型预测压实黄土的动本构关系难度较大。该文在边界面塑性框架下,引入动态映射法则,提出了一个反映应变累积的循环加载塑性模量表达式,构建了循环加载条件下压实黄土边界面塑性本构模型,分析了循环应力比与围压对应力应变关系与模量的影响规律,采用压实粉质黄土动三轴试验结果进行了验证。结果表明,该循环加载塑性模量基本反映了压实黄土的应变累积行为,所构建的本构模型考虑了循环应力比对动应力应变关系与模量的影响,可为填方压实黄土长期变形分析提供参考。

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。

考虑温度与围压影响的冻结砂土非正交弹塑性本构模型

冻土的受力变形特性受温度与围压的影响显著。为描述温度的影响,通过建立冻土三向拉伸强度与温度的非线性关系,并采用平移变换的方法将其考虑到屈服函数中。为描述围压的影响,通过建立潜在强度衰减因子,并将其引入统一硬化参量中,发展得出了考虑围压影响的硬化参量。最终,基于非正交弹塑性模型框架,在平移变换应力空间内建立了能够考虑温度和围压影响的冻土非正交弹塑性本构模型。模型预测结果与冻结粉砂三轴压缩试验结果的对比表明,所建立模型能够模拟不同温度和围压下冻结砂土应力–应变关系。其不仅能够反映冻土峰值抗剪强度随温度降低而增大的温度效应,还能描述围压增大条件下应力应变曲线由剪胀与软化型逐渐转变为剪缩与硬化型的规律。

广义塑性本构模型三维化方法的研究与验证

在二维空间中基于p、q分量构建的广义塑性本构模型无法反映中主应力对土石料变形特性的影响,因此需要将其进行三维化以反映出一般应力状态下本构关系。研究了多种三维化方法,通过与真三轴试验对比,基于广义非线性强度理论(generalized nonlinear strength theory, GNST)的三维化方法可以使本构模型较好地反映土石料一般应力路径下的应力应变关系。对某面板堆石坝进行的数值计算,并与监测结果对比,表明三维化后的本构模型能更好地反映堆石坝的变形规律。因此,基于GNST的模型三维化方法可以应用于高土石坝设计中,并可以获得较好的预测结果。

考虑基质吸力的非饱和土弹黏塑性本构模型

为了描述可控基质吸力下的非饱和土时效变形特征,提出一种考虑非饱和土基质吸力影响的弹黏塑性本构模型。新模型借鉴BBM模型对压缩特征曲线进行修正,给出非饱和土的压缩指数与基质吸力的关系函数,并将该指数引入到能描述土体超固结的下负荷模型,得到非饱和土的修正下负荷面;又以该下负荷面为参考屈服面,利用相对应力关系,建立了非饱和超固结土的弹黏塑性本构模型,并通过非饱和的三轴率敏性试验确定新模型中两个时效参数m′和c_(0)。结果表明:①模型能较好地表征非饱和土超固结比、基质吸力对其变形特征的影响;②由非饱和土的三轴率敏性试验确定的模型参数能较好地模拟其蠕变等时效变形。

CM弹塑性本构模型在FLAC^(3D)中的二次开发

显式有限差分程序FLAC3D由于自带的本构库多样性不足,无法统一描述超固结和结构性这两种自然界土体典型力学特性的本构模型.为了扩大FLAC^(3D)应用范围,更精确地模拟土体力学特性,本文基于其自带的二次开发平台,使用C++语言对交变移动(Cyclic Mobility,CM)弹塑性本构模型进行二次开发.首先推导该模型的基本公式;然后介绍FLAC^(3D)的工作原理和关键开发步骤;再通过不同应力路径下的测试,对比FLAC3D模拟值和该本构的理论值,验证开发的正确性;最后通过对一维固结试验数据、三轴排水压缩试验数据和不排水三轴循环加载试验数据的模拟,验证了二次开发模型能较好地模拟土体的力学行为.

考虑状态相关的砂土非正交弹塑性本构模型

砂土的力学特性具有显著的状态相关性,主要体现为不同应力状态与密实状态下砂土的变形特性具有显著差异。合理的状态相关硬化规律与剪胀规律描述是反映砂土状态相关变形特性的基础。提出了能够有效描述砂土等向压缩规律与临界状态规律的微分表达式,并基于等向压缩硬化规律建立了状态相关因子ω,发展了砂土状态相关的硬化参数H,旨在合理确定塑性应变增量的大小;在利用非正交塑性流动法则确定塑性应变增量的方向的过程中,引入了状态变量ψ对分数阶次μ的影响,从而考虑了塑性应变增量方向的状态相关性,合理地描述了砂土的状态相关剪胀性。进一步,结合引入了状态变量的Hooke定律,确定了弹性应变增量,从而发展得出能够描述砂土状态相关特征的非正交弹塑性本构模型。通过合理预测Toyoura砂的常规三轴排水及不排水试验结果,验证了所建模型能够有效捕获砂土的状态相关力学特性。

高心墙堆石坝材料本构模型计算的适用性研究

为研究不同材料本构模型对高心墙堆石坝应力、变形计算的适用性,以RM 300 m级高心墙堆石坝堆石料的室内试验成果为基础,分别对邓肯E-B模型、沈珠江双屈服面模型及MPZG模型进行材料本构验证和坝体有限元分析。研究结果表明:3种模型均能较好地表现堆石料三轴路径下的应力响应,而邓肯EB模型在低围压下体积响应表现效果欠佳;3种模型计算的坝体应力、变形分布均符合一般规律,应力相近,但变形计算中邓肯E-B模型得到的沉降与顺河向位移均较大;在高心墙堆石坝建设初期,可采用邓肯E-B模型进行早期分析,后期宜采用沈珠江双屈服面模型、MPZG模型等进行决策评价。

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.

土体本构模型参数的不确定性评估研究

模型参数评估是本构模型发展的重要研究内容。为了考虑本构模型参数评估过程中存在的误差,采用基于结构可靠度、子集模拟和自适应条件抽样方法的贝叶斯框架,提出一种基于试验数据反演的本构模型参数不确定性评估方法。分别以表征岩土体剪应力−剪应变的节理剪切本构模型和描述土体非线性应变增量−应力增量的亚塑性黏土本构模型为例,研究了本构模型参数、土体偏应力−应变和孔隙比−压力曲线的不确定性表征结果,并分析了模型参数对试验结果的敏感性。结果表明该方法可以评估验数据驱动下本构模型参数的拟合不确定性。对于应力−应变曲线的表征,节理模型参数■和η的贡献相对较大,而亚塑性模型的多数参数贡献度差异较小。研究结果有助于加深对这两种本构模型的理解以及提高本构模型预测的可靠性。

不同受力状态下木材本构模型研究进展

复杂的本构模型虽然可以精确地模拟不同受力状态下木材的力学性能,但模型的计算效率和收敛均存在较大的难度。阐述了现有木材本构模型研究中的屈服准则、强化准则、流动法则和损伤准则,对比了不同准则的优缺点。评估了不同本构模型在木材、木结构构件和节点数值模拟分析中的适用性。总结了不同受力状态下合理、高效的本构模型,为木材本构模型研究和木结构数值模拟分析提供参考。

考虑地震应变率效应的木材三维弹塑性损伤本构模型及其数值实现

木结构在服役过程中可能遭遇地震作用,木材表现出明显的地震应变率敏感性,需要建立考虑地震应变率效应的木材非线性本构模型。文章系统梳理已有研究中木材在不同地震应变率水平、不同纹理方向的试验结果,分析其不同纹理方向考虑应变率影响的强度与弹性模量绝对值统计规律性,建立木材考虑地震应变率效应的强度与弹性模量地震应变率影响系数表征模型。在此基础上,基于连续介质损伤力学建立考虑地震应变率效应的木材三维弹塑性损伤本构模型,编写相应的UMAT子程序,并将其嵌入ABAQUS有限元软件中。采用所建立的弹塑性损伤本构模型对木材进行顺纹与横纹受压加载模拟,模型结果与试验结果吻合较好,验证了所建本构模型及UMAT子程序的正确性。研究成果可为木结构的抗震分析与评估提供更符合实际的本构模型支持。

砂土状态相关本构模型在ABAQUS中的数值实现方法

土体的剪胀、应变硬化和应变软化等应力-应变特性与土体当前所处的状态相关,状态参数ψ(当前孔隙比e与临界孔隙比ecs的差值)被广泛用于表征不同状态下砂土的力学行为[1]。随后,不同学者相继提出了状态孔隙比参数Ie=e/ecs和Is=(e0-e)/(e0-ecs)、状态压力参数Ip=p′/pcs,以及状态孔隙比-压力参数Iep=ep′/ecspcs[2]。考虑到这一特性,可将状态参数引入广义塑性力学或边界面塑性力学中,建立一系列适用于砂土的状态相关塑性本构模型。

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。

基于分段步进式弹塑性格构模型的混凝土破坏过程细观模拟

经典格构模型理论假设单元服从完全脆性的线弹性本构关系,忽略了砂浆基体的延性,导致预测的混凝土荷载-位移曲线延性不足。针对该问题,基于分段步进式方法描述砂浆单元弹塑性本构关系,通过序列线性理论模拟试件受荷损伤破坏过程及力学响应。基于混凝土单轴拉伸和压缩试验对模型进行了校验,发现该模拟方法可以精确模拟混凝土的开裂及荷载-位移曲线。同时,该模型可用于模拟混凝土受拉开裂的尺寸效应问题,以及受压破坏时受力端横向约束程度和试件长细比对开裂行为的影响,为研究混凝土的断裂行为提供了新的理论方法和途径。

考虑率效应的Ladeveze本构模型在复合材料损伤失效中的研究

为研究单向纤维增强复合材料在单轴载荷作用下的承载特性与失效模式差异,对复合材料单向板承载时的塑性累积与损伤演化等力学响应进行了有限元预测.首先,引入基于2D连续介质损伤理论的Ladeveze本构模型,并将其看作平面应力问题.考虑材料塑性行为的影响,并假定塑性强化为各向同性强化,利用FORTRAN编程语言对LS-DYNA进行二次开发,编写了基于Ladeveze损伤本构模型的用户材料子程序.利用LS-DYNA建立复合材料单向板的有限元仿真模型,研究了其在承受纵向拉伸、纵向压缩、横向拉伸,面内剪切等载荷下的典型失效行为,并与试验结果进行了对比,然后对所编写子程序的有效性进行了验证.最后,引入对数型率相关修正函数,对复合材料承受不同应变率载荷下的破坏行为进行了预测,研究了单向纤维增强复合材料率效应敏感度与承载组分之间的关系.

PVC/TPU共混材料静动态力学性能及本构模型研究

利用万能材料试验机和高速拉伸试验机对2种成型方式和6种共混比的聚氯乙烯/热塑性聚氨酯(PVC/TPU)共混材料开展静动态拉伸力学性能测试,并基于断裂伸长率和邵氏硬度进行成型方式和共混比优选。进一步获取了共混材料在较宽应变率范围(0.001~700 s-1)的应力⁃应变数据,并进行了拉伸断面的微观表征。结果表明,模压成型材料断裂伸长率更高,共混比为90/10时材料具有最高的断裂伸长率,邵氏硬度符合试验假人软组织材料的硬度范围(邵尔40~70 A)。共混比为90/10(PVC/TPU)材料在静动态载荷下均具有显著的应变率效应。选取朱⁃王⁃唐(ZWT)方程和Sherwood⁃Frost方程构建了材料的本构模型,对比发现Sherwood⁃Frost方程拟合效果更好。形貌分析发现,静动态加载下,材料均为典型的脆性断裂,未出现明显的相分离现象。随着应变率的增加,断面逐渐变粗糙,并产生空穴及微小裂纹。