相似角θ与Lode角θ_δ的相互关系及其在岩土力学中的作用

岩土力学中的摩尔 -库仑 (Mohr-Coulomb)屈服准则是在工程实践中经得起考验的屈服准则 ,由于该屈服函数的导数不连续而不能用于有限元分析中 ,从而限制摩尔 -库仑屈服准则的应用范围 ,用D -P(Druck -Prager)类屈服准则去逼近摩尔 -库仑屈服准则可以克服这些困难 ,但由于两者之间没有建立明确的物理关系 ,因此逼近效果还不够理想 .利用主应力空间与偏平面的几何关系 ,给出相似角θ与主偏应力s1和偏应力r之间的关系 ,再依照Lode角θδ 的定义 ,得出两者之间的关系 ,最后给出了相似角在岩土力学屈服准则中的一个应用 ,为今后建立更好的屈服准则打下基础 .

考虑静水压力和LODE角的塑性模型在GH4169合金上的应用

针对典型盘用镍基高温合金GH4169,采用Bai-Wierzbizki(B-W)塑性理论对其塑性变形行为进行建模和应用评估。B-W塑性理论假设金属材料塑性变形仍服从von Mises屈服准则,但屈服函数考虑了静水压力和LODE角(偏应力第3不变量)对塑性行为的影响。采用Abaqus/Explicit商业有限元软件编制了该塑性模型的用户材料子程序,设计开展了GH4169合金的光滑、缺口圆棒和缺口平板拉伸试验,基于有限元分析和优化方法确定了B-W模型相关材料参数,对GH4169合金光滑和缺口拉伸响应曲线进行有限元预测,并与试验结果进行对比分析。结果表明:B-W模型预测的GH4169合金缺口圆棒和平板拉伸响应曲线与试验结果非常吻合,而基于传统von Mises塑性模型预测的GH4169合金缺口拉伸响应曲线均明显高于试验曲线。

应力Lode角对砂岩变形特性影响

基于自主研发的"多功能真三轴流固耦合试验系统",进行真三轴应力(σ1>σ2>σ3)条件下,保持球应力、偏应力不变而改变应力Lode角试验,研究了球应力、偏应力不变条件下,应力Lode角旋转对岩石变形特性的影响。结果表明:3个主应变、体应变及偏应变均随应力Lode角的变化而改变;偏应力相等时,ε1,ε2,ε3,εv及εs随着偏应力比M(q/p)的增大而呈现递减趋势;球应力相等时,3个主应变、体应变及偏应变随着偏应力比M的增大呈现先减小后增大的趋势,且在M较大时失稳破坏。岩石破坏时形成多个近似垂直于σ3方向而平行于σ1,σ2方向的破坏面,且强度值较常规加载明显偏小;偏应力比M对偏应变模量Gs有较大影响。球应力主要影响岩石的体积变化,且有一定的区间性;偏应力主要影响岩石的畸变,对岩石破坏起重要作用。试验砂岩的塑性变形受Lode角影响较大,塑形流动方向为θs=(θσ + π/2)。

Lode角对应力张量偏导数的基本性质

为计及岩土类材料塑性力学行为的中主应力影响或应力路径相关性,通常将应力张量Lode角/Lode数引入屈服函数与塑性势函数.由此在计算塑性应变增量时必然涉及Lode角/Lode数对应力的导数张量(记为T).然而,应力张量主值有重根时T的计算存在困难.论文给出了T的主值计算方法及谱分解表达式并详细讨论了张量T的基本性质.

基于微观机制圆钢管X型相贯节点焊缝延性断裂预测及Lode角参数分析

运用Abaqus软件对3个不同尺寸的圆钢管X型相贯节点在单调荷载作用下的断裂行为进行了分析和预测.采用国产Q345钢材校准的微观断裂判据空穴扩张模型(VGM)对相贯节点进行断裂预测.分析结果显示,断裂起于相贯线鞍点焊缝内侧与支管相交处,与试验观察到的结果相符.计算断裂处的Lode角参数,结果表明该模型断裂前应力状态为拉伸-剪切复合应力状态,且剪切应力较大.由于VGM模型中韧性参数η是基于轴对称拉伸试验测得,而文中断裂预测值均大于实验值,因此建议在VGM模型中考虑Lode角参数对预测结果的影响,提高该模型在相贯节点断裂预测中的适用性.

真三轴采动卸荷条件下砂岩扩容行为和非共轴性研究

在实际地下工程开挖中,岩石处于采动应力状态,其采动应力路径用应力Lode角表示。基于多功能真三轴流固耦合试验系统,开展相同静水压力、不同应力Lode角的真三轴力学试验,研究不同应力Lode角对砂岩的扩容特性和非共轴性的影响。试验结果表明:应力Lode角的增加在一定程度上反映出卸荷作用对砂岩真三轴试验变形的影响。对比应力Lode角在-30°~0°和0~30°的主应力变化量可以发现:最大主应力变化量比较均匀,中间主应力变化量下降,最小主应力变化量上升。随着应力Lode角的增加,最大主应变压缩程度下降,中间主应变由膨胀转变为压缩,最小主应变膨胀程度增加,且最小主应力方向的膨胀量相对于最大主应力方向的压缩量增加。应力Lode角从-30°变化到30°,随着最大主应变的增加,体积应变呈现先减小后增加的趋势。引入应变偏应力柔量,随着应力Lode角的增加,广义剪切应力对最大主应力方向的压缩变形作用减弱,对最小主应力方向的膨胀变形作用先增强后趋于平稳;体积应变偏应力柔量整体呈现下降趋势。非共轴性表现为应力路径和应变路径不重合,不同应力Lode角下的应变路径均向低Lode角方向演化。引入偏转量,应力Lode角从-30°变化到30°,偏转量呈现先上升后下降的趋势。

Drucker-Prager系列屈服准则在稳定分析中的应用研究

Drucker-Prager(下简称D-P)系列屈服准则作为Mohr-Coulomb(下简称M-C)准则的修正模型在岩土工程中得到了广泛的使用。然而采用不同的D-P系列屈服准则可能会得到差距较大的结果,因此,选用合适的D-P系列屈服准则十分重要。在研究了D-P系列屈服准则与M-C准则之间的对应关系之后,指出D-P系列屈服准则对应的Lode角取值较为有限,难以反映出材料在丰富受力状态下的M-C准则屈服强度,将其取值范围扩大至-30°～30°,并以某边坡和向家坝泄12坝段抗滑稳定分析为例,对如何选用合适的D-P系列屈服准则这一问题进行了研究,提出了具体的选择方法。研究结果表明,只要选用的D-P系列屈服准则对应的Lode角能反映影响边坡和坝基稳定的关键部位的受力状态,就能够得到较好的结果,将D-P系列屈服准则对应的Lode角取值范围扩大至-30°～30°也是必要的。

中主应力对Mohr-Coulomb材料屈服性质的影响

在应用Mohr-Coulomb屈服条件时,由于中主应力不影响判别材料是否进入屈服,因此有关中主应力对Mohr-Coulomb材料屈服的影响性质关注较少,考虑Mohr-Coulomb屈服条件与应力路径相关性,本文采用Lode角或Lode数描述了偏平面上屈服性质的分区,对任意满足Mohr-Coulomb屈服条件的应力状态,在保持其大、小主应力不变的条件下给出了中主应力在大、小主应力之间变化时的屈服轨迹,从而明确了中主应力对Mohr-Coulomb材料屈服性质的影响。

使用主值空间表示的各向同性塑性本构方程

针对各向同性材料,在内变量为标量的假定下,应用张量函数表示定理给出了其塑性应变增量的不变性表示,它的3个不可约基张量取决于应力张量、相互正交且共主轴.建立3个基张量构成的张量子空间与三维主值空间的对应关系,将共主轴的张量采用笛卡尔坐标系中的矢量描述,矢量在不同坐标系下的分量均为张量的一组不可约不变量.定义塑性应变增量对应的矢量为内变量增量,使用张量函数表示理论得到,内变量演化方程除取决于应力对应的矢量和内变量本身外,还取决于应力增量在张量子空间中的投影,该投影就是应力对应矢量的增量,因此,本构方程归结为确定主值空间中矢量之间的关系.最后表明,三维主值空间与张量子空间中的流动法则是等价的.

7075铝靶对卵头弹撞击的试验和数值模拟研究

为探索提升金属靶抗侵彻性能数值预报效果的途径,在一级轻气炮上开展6 mm厚7075-T651铝合金靶对卵头弹的抗侵彻性能试验以及平行的三维有限元计算,对比Lode无关和相关断裂准则对靶板断裂行为和弹道极限的预报结果。通过卵头弹侵彻试验获得靶板的断裂行为和弹道极限;7075-T651铝合金的力学行为通过Johnson-Cook本构模型以及Johnson-Cook(J-C)和一种Lode相关的断裂准则描述。结果表明:卵头弹撞击下靶板发生延性扩孔、背部鼓包和背部开裂,弹体穿透靶板时有少量碎块产生;J-C断裂准则预报的弹道极限比试验值高约19%,预报的靶板断裂行为与试验不符;Lode相关断裂准则预报的弹道极限比试验值仅高4%,预报的断裂行为与试验基本一致。

平头弹撞击2024+7075双层靶的试验及数值模拟研究

用一级轻气炮开展一系列平头弹撞击2024+7075双层靶试验,对试验现象及机理进行分析。用Abaqus/Explict开展有限元数值模拟,用Lode参数无关的断裂准则及Lode参数相关的断裂准则表征靶材的力学性能;对比分析数值模拟与试验结果,评估两类断裂准则的数值模拟效果,对其差异原因进行分析。结果表明:双层靶的弹道极限为155.2 m/s;前靶为剪切冲塞破坏,后靶因薄膜拉伸及整体弯曲破坏,并出现径向裂纹,形状似“十字形”;弹体贯穿靶板后出现“双塞块”;后靶的塑性变形大于前靶。Lode参数相关的断裂准则预报更准确。

复杂应力状态下船用低碳钢断裂应变的“断崖现象”

文章进行了应力状态的坐标转换,开展了68个低碳钢圆棒拉伸、缺口拉伸、圆柱墩粗、压剪和简单剪切等试样在复杂应力状态下的断裂特性实验,再现了低应力三轴度时断裂应变“断崖现象”,基于Lode角与应力三轴度的联合作用对该现象进行了解释。通过遗传算法,给出了优化后的低碳钢Bai断裂准则参数,并通过比较不同断裂准则预测值与实验值,验证了Bai准则的有效性。

考虑主应力轴旋转土体的应力增量分析

首先研究主应力轴旋转问题 ,研究了二维和三维主应力轴旋转的应力增量分析 ,这类研究使考虑主应力轴旋转的塑性力学问题建立在更加严格的数学基础上 .接着研究应力Lode角改变的问题 ,认为这类问题实为主应力空间中的坐标变换问题 ,并通过两次线性变换和一次非线性变换 ,将主应力空间坐标系oσ1σ2 σ3变换到 p -q-θσ 空间坐标系 .在 p -q-θσ 空间坐标系中 ,球应力 p不变 ,广义剪应力q不变 ,仅有应力 Lode角变化的问题 ,即为纯应力Lode角的改变问题 .

金属材料失效分析的新方法（英文）

提出了一种预测金属材料失效的新方法,该失效准则考虑了应力三轴度和Lode角参数的影响。将金属材料分为ēf>ef和ēf≤ef两类,其中ēf和ef分别定义为应力三轴度η=1/3、Lode角参数ξ=1(轴对称应力状态)和应力三轴度η=1/3、Lode角参数ξ=0(平面应变状态)时的真实应变。另外只需要两个常见的实验(光滑圆杆拉伸试验和纯剪试验)数据就可以确定失效准则的参数值。将该新失效准则与文献中报道的诸多材料在不同加载条件下的实验数据进行对比,结果吻合较好。

复杂应力状态下金属材料屈服模型及有限元验证

日益复杂的结构细节特征和载荷作用给飞机金属实体结构的精细化设计提出了极高挑战,对复杂应力状态下金属材料的屈服及失效行为的高精度预测是结构精细化设计与验证的关键。多种典型构形拉伸试验研究发现基于单一曲线假设的von Mises屈服理论难以精确描述金属材料在复杂三维应力状态下的屈服行为。为提高复杂应力状态下金属弹塑性行为的预测精度,提出一种基于应力三轴度和Lode角参数修正的von Mises屈服模型,将该修正模型以VUMAT用户材料子程序嵌入ABAQUS/explicit求解器对铝合金2024-T4试件的屈服行为进行数值模拟。结果表明:本文提出的修正屈服模型比von Mises屈服模型更符合试验结果。

基于Lode参数的应力状态描述及D-P系列准则

基于Lode参数给出了广义拉压及纯剪应力状态的概念,并表明在π平面或偏平面内Lode参数(Lode角)可描述简单加载条件下的应力路径。进一步基于能量途径给出了与M-C屈服准则相匹配的D-P系列屈服准则的参数转换关系。给出了D-P系列准则特征Lode角(特征应力路径)的概念,并分析了其多值性。最后对D-P系列准则进行了简单的误差分析。

深部采动应力条件下砂岩破裂的声发射和能量演化规律研究

深部采动应力可影响岩石材料变形损伤过程的声发射特征和能量演化规律,以砂岩为研究对象,进行了不同静水应力(采深)和Lode角(采动应力路径)(-30°~30°)条件下的真三轴加卸载试验。结果表明:静水应力和Lode角对岩石变形及强度都有较大的影响。静水应力相同时,Lode角的增加会促进微裂隙的扩展和贯通,从而降低砂岩试样的承载能力,使其破坏更加迅速且剧烈;Lode角相同时,3个方向的应变均随静水应力的升高而增大,且静水应力升高可以增加砂岩试样的延性,使其在较大变形时才发生失稳破坏。声发射参数特征与岩石各阶段变形保持良好的对应关系,不同阶段所对应的AF值(平均频率)和RA值(上升时间与幅值的比值)存在较大差异,表明各阶段的损伤类型不同,且越接近峰值破坏点,剪切作用越明显。此外,岩石在峰值破坏点前的能量转化特征较好地体现了损伤演化规律,能耗比m(耗散能U与总能量U之比)大体呈现先减小后稳定再增加的趋势,且应变硬化阶段的能耗比增量基本相同,说明加载时间越长,岩石的峰值强度越大,吸收的总能量也越多,破坏时需要的耗散能也会随之增加。

π平面上冻结黏土破坏函数适用性试验研究

为了研究冻土在π平面上的强度特征,利用冻土空心圆柱仪对冻结黏土开展了-6.0℃条件下4个平均主应力p(1.0,3.0,4.5和10.0MPa)和5个应力Lode角θσ(-30.0°,-16.1°,0°,16.1°和30.0°)的定向剪切试验.结果表明:定向剪切路径下冻结黏土的应力-应变曲线均呈现应变硬化特征;随着中主应力系数b值的增加,轴向强度逐渐降低;随着平均主应力p值的增大,中主应力系数b值对广义剪应力-剪应变曲线的影响逐渐减弱;在平均主应力p值较小时,中主应力系数b值的变化对破坏应力比的影响较大,而在平均主应力p值较大时,这一影响则较小;在相同中主应力系数b值下,破坏应力比随着平均主应力的增大而减小.随着平均主应力的增加,π平面上冻结黏土的破坏曲线形状从光滑外凸三角形渐变为圆形,非线性广义强度理论能较好描述这种演化规律.

不同应力状态下TiB_(2)/Al复合材料的断裂行为:失效判据校准与评价

复杂应力状态下韧性材料的变形和断裂行为与单轴加载通常具有很大差别,因此近年来失效判据的发展及其在仿真领域的应用得到广泛关注,分析不同失效判据模型在较宽应力状态范围内的适用性差异,并选择合适的模型对于精准地预测工程材料断裂行为至关重要。为了探究原位自生TiB_(2)/Al复合材料的断裂行为,在不同应力状态(应力三轴度−0.82~1.03,Lode角参数−1~1)下进行了系统的断裂试验和微观分析,结果表明该材料的断裂行为和微观机制与应力状态密切相关;除了应力三轴度外,失效判据模型中应该进一步考虑Lode角参数影响以更精确预测宽应力状态下的断裂行为。基于系统的试验结果,对5种典型的失效判据模型参数进行标定,并详细对比和评价了这些模型在宽应力状态范围内对断裂行为的预测能力。结果表明,全面考虑应力三轴度、Lode角参数和截断值的失效判据模型能够更准确地描述复合材料在复杂应力状态下的断裂行为。