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。

Deduction of plastic work rate per unit volume for unified yield criterion and its application

A unified linear expression of plastic work rate per unit volume is deduced from the unified linear yield criterion and the associated flow rule. The expression is suitable for various linear yield loci in the error triangle between Tresca’s and twin shear stress yield loci on the π-plane. It exhibits generalization in which the different value of criterion parameter b corresponds to a specific linear formula of plastic work rate per unit volume. Finally, with the unified linear expression of plastic work rate and upper-bound parallel velocity field the strip forging without bulge is successfully analyzed and an analytical result is also obtained. The comparison with traditional solutions shows that when b=1/(1+ 3 ) the result is the same as the upper bound result by Mises’ yield criterion, and it also is identical to that by slab method with m=1, σ0=0.

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。

砂土各向异性临界状态模型及砂质海床板锚承载特性评价

砂土组构各向异性及演化显著影响其力学行为,对砂土海床中板锚等承载特性有重要影响。基于各向异性临界状态理论框架(ACST),引入考虑组构各向异性非共轴流动法则,建立了砂土各向异性非共轴模型,并嵌入有限元ABAQUS;通过引入正则化技术,显著降低了砂土应变局部化导致的网格依赖性。基于不同应力路径砂土单元试验和砂土中板锚上拔离心试验,验证了上述模型;探究了不同组构沉积海床(沉积角α0为0°,45°,90°)中平板锚的上拔特性。研究表明:①同一应力水平和密实度下,平板锚的上拔峰值承载力随α0的增大而提高,因为高α0海床中的砂土组构演化更快、导致峰值摩擦角更高。②如忽略组构各向异性影响,并基于三轴压缩数据标定模型参数,可使砂土中板锚承载力高估达100%;因为各向同性模型在满足三轴压缩预测条件下会高估其他路径下(如三轴伸长、单剪)的砂土强度。③传统极限平衡法不考虑组构各向异性,只能合理预测沉积角α0=0°时锚板承载力,但低估了α0为45°,90°时的上拔承载力。

精确预测近平面应变载荷下各向异性行为的屈服准则参数识别策略

随着现代汽车工业对冲压零部件成形精度要求的不断提高,描述商用汽车板材变形行为的模型的精度也必须相应提高。在此背景下,结合当前工业级实验室检测能力,提出一种基于单轴拉伸、等双轴拉伸和近平面应变数据标定先进各向异性屈服准则的参数识别策略。将新提出的校准方法应用于BBC2008屈服准则并与其他几种屈服准则(包括工业界广泛使用的Hill48和Barlat89,以及与BBC2008灵活性相当的Yld2004-18p、Yld2011-27p、Yoshida2013和Poly4*Hosford)进行比较。通过定量评估MP980和SPCE钢以及5182-O和A6XXX-T4铝合金的法平面屈服轨迹、对角线平面剪切屈服轨迹、等双轴和单轴拉伸屈服应力与塑性应变比的预测误差,验证了新参数识别策略的有效性和适用性。结果表明,新方法能够全面提升塑性各向异性方面的描述能力,尤其是对于对角线平面剪切屈服轨迹。不同屈服准则对商用汽车板材各向异性行为的描述能力表现出非常大的差异性。特别地,在使用相同力学性能数据校准屈服准则的前提下,释放指数的潜在调节能力比增加材料参数的数量更加重要。

基于雨流计数法的屈曲约束支撑的塑性变形研究

屈曲约束支撑(buckling restrained brace,简称BRB)具有滞回曲线稳定饱满的优点,近年来已被广泛应用于工程设计中。从3组BRB不同加载制度所得的滞回曲线出发,建立了BRB的Bouc-Wen数值模型,在输入地震波后提取滞回曲线验证了数值模型的准确性。根据雨流计数法对损伤统计的原理,编写计算程序后对单自由度BRB钢框架计算模型所受到的地震损伤进行了统计,通过等效塑性应变理论验证了采用数值模型以雨流计数法统计BRB塑性变形的准确性。

Hoek-Brown准则下预应力锚索锚固体破坏的极限分析

针对预应力锚索锚固体的破坏形式,采用Hoek-Brown强度准则及其相关联的流动法则,分别考虑锚固体界面产生滑脱破坏与锚固体周围岩体发生整体破坏两种工况,根据塑性力学中的上限分析定理,推导出了锚索极限抗拔力的计算公式与锚固体的破裂机制,并分别讨论了锚固段灌浆压力、锚固段长度与岩体强度参数等对极限抗拔力与破裂面形状的影响。计算表明:一定范围内增大锚固段长度和采用压力灌浆是提高锚索极限抗拔力的有效措施;当锚固段周围岩体发生整体破坏时,随着岩体经验参数A、岩体抗拉强度、抗压强度与重度的增加,锚索极限抗拔力不断增大,而随着经验参数B的增加,锚索极限抗拔力则不断减小;锚固段周围岩体破裂面形状呈现出对称的"喇叭形",这与现有文献中的研究成果相一致,而且岩体经验参数B是影响岩体破裂面形状的重要因素,它决定了岩体破裂面的曲率大小,当B=1时,岩体破裂曲面退化为圆锥面。

房山大理岩本构性质的实验研究

本文介绍了作者们在常规三轴试验机上对房山大理岩试件做的循环载荷试验以及主要的实验结果。在弹塑性理论的框架内对实验数据和资料进行了整理,得到了屈服函数和硬化规律的具体表达式,验证了弹塑性理沦的模型能足够精确地反映大理岩材料的力学性质。

基于热力学定律的混凝土本构模型研究

由热力学定律出发,介绍了耗散函数的形式,给出了建立混凝土本构模型的方法和过程,并对参数的确定进行了讨论,得到了基于热力学原理的混凝土多轴本构关系和真实应力空间中的屈服准则、破坏准则及塑性流动法则。由此方法建立本构模型,引入假定较少,避免了假设"塑性势函数"的做法,得到的结果自动符合热力学原理,具有一定的普遍性。算例表明,该模型计算结果与试验结果符合较好。

塑性流动法则的相关性

介绍、分析和比较由最大耗散法则与热力学原理两种方法推导得到的率无关塑性变形流动法则的形式,得出了塑性流动法则总是与屈服函数有关,可由屈服函数和耗散函数确定材料进入塑性状态后不可恢复应变的结论.由此得到的流动法则,避免了不相关流动法则中塑性势函数意义不清的缺点.

软岩隧道的围岩变形计算

文献[6]在考虑软岩的剪胀、蠕变和非线性破坏准则等影响后,推导隧道的围岩变形表达式.在此基础上,考虑软岩的塑性大变形特性后,分别根据相关联与非关联流动法则,推导出圆形隧道位移解.通过计算得出:在软弱的围岩或土中,剪胀角的大小对隧道塑性区软岩位移影响很大.

基于最小耗能原理的塑性应变流动法则

根据最小耗能原理,推导塑性应变流动法则的一般表达式.与传统塑性流动法则相比,该流动法则增加了一项交叉耦合项,可以很好地揭示准脆性材料剪胀效应的内在机理.同时在该流动法则下,推导弹塑性有限元增量迭代格式,由于其刚度矩阵的对称性,使得计算效率大大提高.对土试样塑性应变的演化过程进行追踪模拟,其破坏形式与实验现象非常接近,表明基于最小耗能原理框架下的流动法则是合理可靠的.最后,采用该流动法则下的弹塑性有限元对土质边坡的变形破坏过程进行模拟,破坏形式与实际情况相符,表明新的流动法则不仅合理可靠,而且具有广阔的应用前景.

岩土材料极限分析上界法的讨论

现行的极限分析上界法,尽管求解结果合理,但理论上却存在一些矛盾:如试验证明,关联流动法则不适用于岩土材料,而现行解法却采用了关联流动法则;传统分析中假设体积不变,但计算中却出现大于实际的体积剪胀变形;按关联流动法则,应力特征线与速度滑移线重合,但在分析中却采用速度方向与应力特征线方向成j角;实际土体破坏时,破坏面上同时存在着剪切力nt和正应力ns,但在计算中却反映不出摩擦功。近年在中国日益兴起的广义塑性力学理论为岩土材料的极限分析方法提供了科学的理论基础。作者提出了基于广义塑性力学的极限分析上界法,消除了上述矛盾,并获得了正确的计算结果。通过同经典算法的比较,证明了两种方法的计算结果几乎是一致的,但现行方法计算简便,因而,可作为一种实用的计算方法。论文还对上述两种算法作了系统的分析与比较,指出了它们求解的相同点与不同点。

基于SMP准则改进Lade-Duncan模型

为了解决Lade-Duncan模型的塑性势面由试验结果拟合所得理论上不够严密的问题,采用SMP准则的屈服函数构建塑性势函数,建立一个砂土弹塑性本构模型(SMP-Lade模型).该模型可以反映砂土应力-应变关系的非线性、应力路径的相关性以及剪胀特性,且塑性势面考虑了3个应力张量不变量的影响.密砂和松砂真三轴试验结果表明:在中主应力参数b=0的条件下,SMP-Lade和Lade-Duncan模型的预测结果与试验结果基本一致;当0<b≤1时,无论是松砂还是密砂,SMP-Lade模型的预测结果都更接近试验值.

岩土材料塑性应变增量方向的确定

通过与金属材料的类比,分析了岩土材料的特征面(SMP面)的特性,提出了SMP面上的应力决定岩土材料塑性应变增量流动方向的观点,并由此推导出计算公式.通过增加一个材料参数,还可以考虑存在黏聚力时的情况.由该公式计算的塑性应变增量方向得到了试验结果的验证.该公式也在用变换应力修正的剑桥模型中得到应用,模型预测结果能够合理反映试验数据.

基于非关联流动法则的滑移线场及上限法研究

当前岩土材料的滑移线场理论及上限法中都广泛采用经典塑性理论中的关联流动法则,由此得出应力特征线与速度滑移线一致的结论。而试验得知,岩土材料并不服从关联流动法则,因而应力特征线与速度滑移线不可能重合。文章分析了基于关联流动法则的滑移线场及上限法中存在的问题,根据广义塑性理论推导了基于非关联流动法则的滑移线场及上限法,消除了现行滑移线场理论及上限法理论中的种种矛盾。

基于非线性Mohr-Coulomb强度准则下的扩孔问题解析

将圆孔周围的围岩分为弹性和塑性应力区,考虑土体受力后的剪胀特性,根据Mohr-Coulomb非线性强度准则、应力平衡条件、大小变形理论和非关联流动准则,推导出排水情况下土体发生大、小变形时扩孔问题的塑性区应力、应变和位移场解析,并给出大、小变形情况下塑性区半径和极限扩孔压力的非线性解答。与现有理论的计算结果和现场实测结果进行对比结果表明,上述理论具有一定的有效性。通过分析可知,大变形时的塑性应变比小变形时的大;随着m值的增大,扩孔压力逐渐增大且与rp/au为非线性关系;大变形时的扩孔压力要比Vesic等人的理论值偏小。

剪胀性对边坡潜在滑动面的影响

有限元分析岩土边坡对剪胀性的影响,常采用两种极端的方法：过大地考虑了材料的剪胀性和完全不考虑材料的剪胀性,而这往往与工程实际情况不符。在平面应变条件下,通过剪胀角的变化来考虑剪胀性对土坡潜在滑动面的影响。计算结果表明,剪胀性对其有比较明显的影响：随着剪胀角的减小,塑性区有从坡顶向坡角贯通的趋势。因此,在工程实际中,对密实性砂土和超固结粘土,由于在剪切过程中会表现出较强的剪胀性,有限元分析时建议用关联法则;对于松散质土（欠固结土）,由于其具有剪缩性,建议用非关联的法则;对于一般砂土和粘土（正常固结土）,应对剪胀角进行折减,建议剪胀角ψ取内摩擦角φ的1/3-1/2。

基于D-P系列准则下的隧道围岩蠕变模拟研究

隧道开挖过程中,围岩及掌子面的不同部位其应力状态不同,但在常规模拟预测时常采用与一种应力状态匹配的DP模型及试验参数模拟预测整个模型的应变状态,不符合实际情况,必将产生误差。文章针对ABAQUS自带的D-P屈服准则耦合时间硬化率蠕变模型,分析了不同D-P系列屈服准则、不同硬化参数下蠕变模拟预测不对应的应力状态时所产生的误差。研究表明,误差不仅与屈服准则有关,岩石在不同类型应力状态下的塑性因子(硬化参量)比值λ对误差影响也很大,且误差率改变率与λ成正比关系。当λ≠1时存在误差平衡点P,该点处误差为0。在点P左侧,模拟误差绝对值随应力增大而减小;在点P右侧,模拟误差绝对值随应力增加而增加。假设采用线性强化模型时,可建立预测不同类型应力状态的蠕变误差修正经验公式,更准确地指导设计施工。

地质材料弹塑性本构关系的塑性势理论

介绍塑性势理论的由来、发展和现状。地质材料全过程应力-应变曲线在峰值前后具有不同的稳定状态,因此其弹塑性本构关系必须在应变空间中表述。给出基于塑性势理论在应变空间和应力空间中的地质材料本构关系,并讨论弹塑性耦合理论。当前在有限元位移法分析中,常用的塑性势理论本构关系式是应变空间表述的实用形式。弹塑性耦合理论较为严密和完善,但地质材料刚度劣化参数还需更多的实验数据支持。