抗转动特性对颗粒材料分散性失稳的影响研究

对于岩土类的颗粒材料,在特定的应变加载路径下会发生非局部化的失稳现象,此时应力状态处于Mohr-Coulomb屈服面内,试样整体急剧失稳。采用颗粒离散元方法,研究抗转动特性对颗粒材料在等比例应变加载路径下宏、细观力学特性的影响。模拟发现,较为松散的试样更易发生分散性失稳,此时颗粒集合体的应力-应变状态满足Hill材料失稳准则。采用考虑颗粒转动的接触模型进行离散元模拟,通过改变颗粒间接触的转动摩擦系数,从宏观和细观层面分析等比例应变加载路径中颗粒材料的稳定性。颗粒抗转动能力的增强可以降低材料发生分散性失稳的可能性,随着转动摩擦系数的增加,应力路径由应变软化逐渐转为应变硬化,原本会发生分散性失稳的松散颗粒集合体表现出与密实颗粒集合体相似的宏观力学特性;颗粒集合体的内部结构表现出相应的细观作用机制,转动摩擦系数的增加有效地抑制了颗粒转动,虽然降低了颗粒体系的配位数,但增加了颗粒之间的接触力,增强了颗粒体系力链结构的稳定性和各向异性,形成稳定的结构持续抵抗外荷载的施加,从而试样整体不会形成松散的接触状态而失去稳定性。

基于复杂网络的岩土颗粒材料分散性失稳先兆研究

岩土颗粒材料在达到Mohr-Coulomb塑性极限之前可能已经发生了没有明显局部损伤的全域准均匀破坏,即分散性失稳。近年来,网络科学工具在颗粒材料环境中的应用为研究其失稳破坏现象提供了有趣新颖的洞见。采用离散单元法对不同初始密实度的颗粒体系进行等体积应变加载路径的数值试验,发现初始状态越松散的颗粒体系越有可能发生分散性失稳;采用网络科学的理论和方法分析颗粒接触网络的拓扑结构特性和演化规律,发现颗粒材料分散性失稳的结构根源是颗粒接触网络完全崩塌。将颗粒体系划分为强、弱接触系统以构建强接触子网络、弱接触子网络和强-弱接触子网络,研究颗粒接触网络及其3个子网络的特征量演化,结果表明:当颗粒材料开始处于不稳定状态时,易受扰动的弱接触系统的部分接触先失效,导致强接触系统失去其稳定支撑作用而降低承载能力。随着加载的继续,系统通过非局部的自组织过程导致接触结构的全面崩塌,最终触发整体分散性失稳。因此,先于整体失稳的部分弱接触的失效,可视为颗粒材料分散性失稳的关键性临界征兆。

基于复杂网络的颗粒级配对颗粒材料分散性失稳的影响

不同于以剪切带为代表的局部化失稳,颗粒材料还会发生全域均匀破坏的分散性失稳,被证明与边坡崩塌、泥石流等密切相关。采用离散单元法研究不同颗粒级配的颗粒体系在等体积应变加载路径下的力学特性,发现级配较宽的颗粒体系更可能且更急剧出现分散性失稳。采用复杂网络理论研究颗粒接触网络的演化发现,体系内部有效接触结构完全崩塌是颗粒材料发生失稳时承载能力消失的根本原因。同时发现,随着级配范围的加宽,颗粒接触结构的连通密度降低,激励的接触力强度减小,但接触分布和强度分布的不均匀性增强,这是由于主要起填充作用的小颗粒数量增多,导致大颗粒需要承担更大的负载,不利于形成稳定承载的整体结构,故触发失稳的风险更大。

跨走滑断层隧道失稳演化过程及稳定性分析

研究目的:为评判跨走滑断层隧道的稳定性,首先视跨断层隧道为一含剪切带的“围岩-断层-围岩”复合岩体系统,揭示其失稳演化机制;其次基于含断层带复合剪切梁理论,推导跨走滑断层隧道失稳临界损伤长度、临界损伤荷载和极限位移计算表达式;最后对影响隧道稳定性的主要参数进行敏感性分析。研究结论:(1)跨走滑断层隧道失稳演化过程主要经历3个典型阶段,即含剪切带的“围岩-断层-围岩”系统变形协调促使强度降低、断层剪切带两侧围岩受拉而呈现拉裂损伤区、“围岩-复合剪切带-围岩”系统达到新的平衡状态;(2)当断层宽度、动摩擦系数、峰值剪应力、剪切梁剪切模量越小,隧道埋深、剪切梁宽度、塑性软化剪切模量越大,跨走滑断层隧道稳定性越差;(3)跨走滑断层隧道稳定性影响因素的敏感性为:断层宽度t>剪切梁剪切模量G>隧道埋深H>滑动摩擦系数μf>断层塑性软化剪切模量Gfs>断层峰值剪应力τfc;(4)本研究结论可为跨走滑断层隧道设计提供一定的理论依据。

内时理论在板料成形失稳中的应用

应用Valanis提出的内时本构方程 ,研究了板料成形的拉伸失稳问题 .推导出单向和双向拉伸应力状态下的内时本构方程 ,据此分析了分散性失稳和集中性失稳 .该文推导出应用于拉伸失稳分析时内时理论的近似表达式 ,它对应于经典塑性理论解 ,同时给出了内时理论的完整迭代数值解 .结果表明内时理论具有很好的适用性 .

板料成形失稳内时理论分析

本文应用Valanis提出的新型内时本构方程 ,研究了板料成形的拉伸失稳问题 .引入简单加载过程中应力、应变各主向及其增量成比例的特性 ,推导出单向和双向拉伸应力状态下的内时本构方程 ,据此分析了板料成形过程中的分散性失稳和集中性失稳问题 .本文首先忽略非线性部分 ,推导出应用于拉伸失稳分析时内时理论的近似表达式 ,它对应于经典塑性理论解 ,然后在此基础上给出了内时理论的完整迭代数值解 .

不排水加载条件下K_0固结饱和砂土失稳预测

基于二阶功准则及变形分叉理论,建立了分散性失稳和应变局部化失稳的理论判别准则,对K0固结不排水加载条件下饱和砂土的失稳特性进行了理论研究。分析结果表明,三轴应力状态下,土体表现为分散性失稳模式,应变局部化则不会发生。在试样初始状态较密实的状态下,由于相变作用,土体能够保持稳定,直至达到塑性极限破坏。在平面应变状态下,分散性失稳和应变局部化均可能发生,且分散性失稳先于应变局部化失稳出现。非共轴塑性流动法则的引入对分散性失稳预测结果无影响,然而对应变局部化的预测结果影响较大,且只有在引入了非共轴流动法则的条件下,应变局部化的理论预测结果才能与试验结果一致。

两种塑性失稳理论下的分散性颈缩极限预测

使用考虑金属材料各向异性及内部微损伤的弹塑性本构模型结合Hill一般性分叉理论及Swift最大拉力失稳理论,进行了金属材料的成形极限曲线的理论计算。基于Hill一般性分叉理论的计算使用有限元软件Abaqus进行;对于Swift最大拉力失稳理论,推导了4种各向同性硬化模型下的长轴、短轴极限应变解析表达式。计算结果表明:在平面应力大变形条件下,使用Hill一般性分叉失稳理论与Swift最大拉力理论预测得到的金属的分散性颈缩发生时对应的极限应变之间的差异小于2%,在实际应用中当难以使用Swift最大拉力理论对复杂材料进行分散性颈缩极限应变的解析计算时,可以使用一般性分叉理论进行替代计算。

湿陷性黄土的变形机理与本构关系

基于微结构突变失稳假说,深入研究湿陷性黄土的变形机理,将体积湿陷与剪切湿陷统一到同一个突变模式,给出了黄土湿陷变形的一个完整的本构关系。计算和实验结果都表明:湿陷变形与应力状态及应力路径有很大关系,且体应变与八面体剪应变受球应力与八面体剪应力的交叉影响。发现不同应力比对应的剪切曲线上的交叉现象是湿陷性黄土的物理特征之一。最后。

复合镍涂层薄板成形极限应力图的理论计算

基于试验测得的应力应变数据,分别采用Hollomon方程和5次多项式拟合得到了复合镍涂层薄板应力应变的本构关系,并采用该本构关系、Hill48屈服准则和Swift分散性失稳准则推导了复合镍涂层薄板的成形极限应力图(FLSD)的理论计算模型;为了验证该模型的有效性,进行了复合镍涂层薄板的冲压成形试验。结果表明:利用该模型能够较准确地预测复合镍涂层薄板的FLSD,将该模型应用于复合镍涂层薄板的冲压成形生产,可以有效预防成形缺陷的产生,并能为分析缺陷产生的原因提供理论支持和指导。

冷轧薄钢板单向拉伸失稳的研究

针对冷轧薄钢板St14在单向拉伸试验中出现的试样"双缩颈"现象,结合观察试样缩颈断裂处的形态,引用薄板单向拉伸分散性失稳和集中性失稳理论对其做出合理解释。通过拉伸过程应变网格分析,验证了薄板拉伸分散性失稳和集中性失稳的存在。明确薄板拉伸失稳的特性,更加有利于正确判定和合理利用深冲压用冷轧薄钢板的塑性指标。

超薄板胀形破裂极限预测理论研究

由于生产中的破裂极限问题对于超薄板胀形特别突出,本文通过公式推导并结合有限元模拟技术,基于Swift分散性失稳和Hill集中性失稳两种理论模型,将最小厚度值计算结果与有限元模拟实验得到的材料破裂时的最小厚度值进行对比,分析计算结果表明:Hill失稳理论能较为准确地预测超薄不锈钢材料在胀形过程中的破裂趋势,该结论可用于预测超薄不锈钢发生胀形时的极限。