混凝土材料三维统一硬化/软化弹塑性本构模型

混凝土材料的弹塑性本构模型通常采用剪切型屈服面,剪切型屈服面包括两种硬化方式,即黏聚力(c)硬化和摩擦角(?)硬化.目前大多数本构模型都采用c硬化模式,无法反映应力诱导各向异性.本文的屈服函数是由混凝土材料非线性统一强度准则发展而来,采用φ硬化模式.基于Sargin提出的单轴压缩应力应变关系,提出一个统一硬化/软化参数,即硬化和软化参数具有相同的表达式.将提出的硬化/软化参数与屈服函数相结合,发展了混凝土材料三维统一硬化/软化弹塑性本构模型.该模型能够统一地描述混凝土的硬化/软化,避免了循环加载中再加载过程中硬化或软化参数的判断,从而增加了计算效率.模型有效地确定了塑性势参数,使得建立的本构模型能够合理地控制混凝土的剪胀.建立了峰值应力对应的等效塑性剪应变与围压的关系,使得建立的模型能够描述混凝土材料的应变软化随围压的变化规律.通过与普通强度和高强混凝土的双轴和真三轴试验结果比较表明,建立的模型能够适用于不同类型的混凝土材料,并且能够合理地描述混凝土材料的变形和强度特性.     

考虑时间效应的UH模型

分析时间对土的效应,在对现有理论和试验数据总结分析的基础上提出了瞬时正常压缩线的概念;基于蠕变规律,建立老化时间与超固结度的关系;采用UH模型(以统一硬化(United Hardening)参数作为硬化参量建立的三维超固结土弹塑性本构模型)的再加载公式计算瞬时变形,提出超固结土一维弹黏塑性应力应变关系;分析一维弹黏塑性应力应变关系的演化规律,定义特征速率并给出其与超固结参数的关系;在UH模型屈服面方程中引入折算时间,建立三维弹黏塑性本构模型.该模型在UH模型的基础上考虑时间效应,不仅能够描述土的剪切蠕变、松弛、速率效应等黏性规律,而且能够反映土的剪胀、软化等超固结性质;与修正剑桥模型相比,仅增加一个次固结系数来反映土的蠕变规律;该模型在瞬时加载条件下退化为UH模型,从而使弹塑性与弹黏塑性框架得到统一.     

基于经典塑性理论的粘塑性统一本构模型

对金属材料粘塑性统一本构模型构建方法进行了研究,找到了粘塑性统一本构模型和经典塑性理论的相关点,发现了隐含于统一本构模型中的经典理论的塑性势和屈服面概念,借此发展了间断的经典塑性乘子,使其为连续函数,并提出了相应的构造方法,拓展定义了其物理意义,为其应用于更广泛材料的本构分析奠定了基础.推出了金属材料和岩土类材料的统一本构模型,通过数值模拟可以看出这种构建是合理的和实用的.     

混凝土材料三维弹塑性本构模型

非线性统一强度准则将材料的强度特性分解为4个相互独立的因素,由4个材料参数分别描述,在主应力空间内的强度面连续光滑,存在连续的偏导数.本文将非线性统一强度准则作为屈服函数,以塑性剪应变的函数作为硬化/软化参数,硬化/软化函数参考单轴压缩条件下的应力应变关系给出,建立了混凝土材料的非线性统一弹塑性本构模型.通过混凝土材料单轴、双轴和三轴试验结果对本构模型的验证,以及偏心受压构件试验结果对数值模拟结果的验证表明,所建立的非线性统一弹塑性本构模型可较好地描述混凝土材料的三维变形与强度特性,并可反映应变软化特性,将模型用于数值计算时易于获得收敛解,且具有较高的精确度和计算效率.     

土的统一硬化函数的构造

弹塑性本构模型中的硬化函数在加载条件下应该与应力路径无关.本文基于两条正交的加载路径(即等平均正应力剪切和等向压缩)下的土的变形规律,构造了能够统一地描述剪缩和剪胀特性的硬化函数,称为统一硬化函数.然后根据格林公式和试验数据,分别从理论和试验的角度验证了统一硬化函数在加载条件下的应力路径无关性.最后通过与各种加载应力路径下黏土、砂土的应力应变关系的试验结果进行对比,进一步证明了统一硬化函数及其统一硬化本构模型的合理性.     

饱和砂土的渐近状态特性及其模拟

在UH（统一硬化）模型的基础上，基于部分塑性体积应变与塑性剪应变有耦合的思路，把对土塑性变形有影响的硬化参量分为耦合硬化参量和非耦合硬化参量，提出了一个新的双硬化的弹塑性本构模型．此模型新颖之处在于它不但可以有效的考虑应力路径也可以考虑应变路径对应力应变特性的影响，所以新模型既能合理预测排水、不排水，也可以模拟部分排水及部分吸水条件下的应力应变关系．结合渐近状态概念，还给出了基于饱和砂土排水试验参数计算不排水极限应力比、静止土压力系数梳的简单公式．模型参数简单，仅比Camclay模型多了一个特征状态点应力比，全部可通过常规三轴压缩试验简单确定．     

考虑偏平面屈服特性的三维耗散应力空间

天然沉积土大多处于复杂三维应力状态．建立岩土材料三维本构模型的方法（三维化方法）应满足热力学定律这一基本物理规律．本文通过引入与塑性剪应变相应的迁移应力，使基于耗散能增量函数建立的岩土材料本构模型能合理地描述偏平面的三维屈服特性．同时，给出了耗散应力空间应力张量与真实应力张量之间的关系表达式，使本构模型能在三维耗散应力空间中采用相关联的流动法则计算不同应力方向的塑性应变．其次，在热力学框架下对比分析了常见三维化方法的热力学本质，如直接引入强度准则的方法、g（θ）方法和变换应力方法等．说明了三维耗散应力空间与变换应力空间的等价性，验证了变换应力方法在热力学框架下的合理性，同时指出直接引入强度准则的方法和g（θ）方法的不合理之处．最后，通过模型预测值与试验值的比较，验证了建立的三维耗散应力空间及其等价的变换应力空间的适用性．     

一种新型双弹簧、双活塞本构模型在聚合物黏弹性质描述中的应用研究

推导了双弹簧、双活塞黏弹性力学模型的本构方程.在CETR UMT-2型试验机及LKDM-2000轮廓摩擦磨损仪上考察了尼龙PA66、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛和聚醚型聚氨酯等材料的静态蠕变特性、松弛特性.分别利用标准线性固体模型和新型本构模型对实验材料的蠕变、松弛特性进行了表征.实验事实及理论计算结果表明,相对于标准线性固体模型而言,该力学模型能更好地反映聚合物材料的蠕变、松弛等黏弹性质.     

基于内能分解的力-热-化多物理场耦合系统连续介质力学

本文将内能分解为可逆自由内能和不可逆耗散能两部分,基于连续介质热力学获得了考虑传热、传质、化学反应和宏观形变的开放系统守恒律,以及相应的力-热-化多场耦合本构关系和演化方程的表达式,从而建立了基于内能分解的力-热-化多场耦合理论框架以及等效积分弱形式,最后给出了一个典型的力-化耦合问题数值算例.     

广义非线性强度理论及其变换应力空间

基于摩擦材料的试验规律和在前人研究成果的基础, 提出了广义非线性强度理论, 它用一个表达式统一描述π 平面及子午面上各种材料的非线性强度特性, 包含或逼近了现有的非线性单一强度理论. 在主应力空间中, 广义非线性强度理论在π 平面上的破坏函数为介于SMP准则和Mises准则之间的光滑曲线;在子午面上的破坏函数为幂函数曲线. 在基于广义非线性强度理论的变换应力空间内, 广义非线性强度理论可以合理地与各种以p和q为应力参量的本构模型相结合, 使模型简单地实现三维化.     

一维拉伸的本构方程不能直接推广处理二维胀形的力学问题

超塑性成形已经在形状复杂、尺寸精度高的零部件加工中得到广泛的应用, 并有良好的发展前景. 然而, 超塑性成形均处于多向应力状态. 但是, 长期以来, 均把单向拉伸的本构方程直接推广处理多向的理论问题. 这在定量处理中是否正确, 亟需理论证明. 首先简述了超塑性一维拉伸和二维胀形变m值本构方程的建立, 并结合从连续介质塑性力学基本理论所导出的自由胀形的等效应力σ 和等效应变速率 的解析式, 分别用拉伸和胀形的本构方程导出了超塑自由胀形最佳加压规律的解析表达式. 进而结合典型超塑性合金ZnAl22实验数据进行了定量比较. 结果判明, 不能把单向拉伸的本构方程直接推广处理二维胀形的定量力学问题, 处理胀形的定量力学问题, 必须用在胀形应力状态下建立的二维胀形的本构方程.     

流域热力学系统水文模型：本构关系

Reggiani等提出的代表性单元流域方法是应用热力学理论构建尺度协调水文模型的最初尝试，Tian等扩展了Reggiani等的代表性单元流域定义，在此基础上构建的流域热力学系统水文模型能够物理地模拟流域上发生的各种主要水文过程，方便了新子区和相物质的增加，增强了模型的可扩展性。针对Tian等建立的基本方程，初步建立了其中质量交换项和动量交换项的本构关系及几何关系，形成了闭合的常微分方程组，使模型可应用于流域水文模拟的实践。     

基于Hvorslev面的超固结土本构模型

基于Hvorslev面、当前屈服面和参考屈服面之间的相互关系, 提出潜在强度的概念, 并将其与特征状态应力比一起引入到统一硬化参数中来建立超固结土的本构模型. 所提出的模型能够反映超固结土的硬化、软化、临界状态、剪缩和剪胀等应力应变特性以及应力路径对它的影响, 此超固结土模型仅比剑桥模型增加了一个材料参数, 即Hvorslev面的切线斜率. 通过Fujinomori粘土的常规三轴排水试验结果证明了基于Hvorslev面的超固结土模型能够合理地描述超固结土的基本力学特性, 同时还预测了等向压缩条件的应力应变关系和不排水三轴试验条件下的应力路径.     

超塑性拉伸似粘性流变方程中本构参数的力学解析

在回顾超塑性拉伸似粘性流变方程中本构参数m和k研究历史的基础上,建立了m和k均为变数的微分关系.通过用已知函数模拟应变速率敏感性指数m与应变速率(?)的关系曲线,从理论上求得m(?),k(?)以及k和m关系的解析表达式,论证了m和k均为材料的应变速率敏感性参数,明确了m为应变速率敏感性指数,k为应变速率敏感性系数,建立了m和k的力学解析理论,理论曲线与3种超塑性合金的实测曲线拟合得很好,为了定量计算,还给出精确模拟的3种合金的m(?)曲线和k(?)曲线的多项式.     

温度对超塑性拉伸稳定变形影响的力学解析

从应力为应变、应变速率和温度的函数的状态方程出发, 导出包含应变硬化指数、应变速率敏感性指数和本文引入的温度敏感性指数、温度起伏指数, 建立了分析超塑性拉伸载荷稳定变形的微分本构方程和几何稳定变形的变分本构方程, 并根据塑性基本理论的普适条件, 进行了温度连续上升条件下和沿试样轴线存在温度不均匀条件下的载荷稳定变形和几何稳定变形的理论分析. 结果表明温度连续上升的快慢和温度的不均匀的大小对稳定变形有影响, 温度上升越快, 温度越不均匀, 载荷稳定和几何稳定所对应的均匀应变越小; 应变硬化效应是超塑性拉伸变形稳定性的必要条件, 在载荷失稳时并不同时产生几何失稳, 而是能持续一段均匀变形才出现; 在超塑性温度区, 恒温不是呈现超塑性的必要条件, 但是在变形过程中温度上升的越慢, 温度越均匀, 变形的稳定性越好.     

考虑温度影响的UH模型

首先分析了温度对饱和粘土力学特性的影响规律,基于真强度概念并结合潜在强度的确定方法推导出不同温度下饱和粘土临界状态应力比的理论计算公式;随之将温度作为变量引入到姚仰平等人提出的UH模型（采用统一硬化（Unified Hardening）参数建立的三维超固结土弹塑性本构模型）中,建立了能够考虑温度影响的UH模型;并根据姚仰平等人提出的变换应力方法,将模型简单地三维化.该模型继承并发展了UH模型,不仅能够描述某一恒温下超固结土的硬化、软化、剪胀等应力应变特性,而且能够反映由于升温引起的体积变化特性.与修正剑桥模型相比,所提出的模型仅增加了一个参数来反映粘土的前期固结压力随温度升高而降低的特性.在常温时此模型就退化成原始的UH模型,而在常温且无超固结时就退化为修正剑桥模型.模型的温度适用范围为介于孔隙水熔点与沸点之间的温度（例如本文所采用试验所涉及的介于适用范围内的温度20℃~95℃）.通过与已有的试验结果对比分析表明,模型能够较为合理地描述超固结土的基本力学特性.     

空间轴对称塑性问题的统一特征线理论

提出了一种基于统一强度理论的统一空间轴对称特征线场理论. 新理论充分考虑了各种不同材料的中间主应力效应和拉压强度比，可以适用于各种不同的材料. 现有的基于Tresca准则、Mises准则和Mohr-Coulomb理论的特征线场以及Haar-von Karman完全塑性条件和Szczepinski假设的轴对称特征线场均为此理论的特例.[KG*2]此理论还可以构造出一系列适用于不同材料的新的空间轴对称特征线场，系统地形成了空间轴对称塑性问题的特征线场理论.它可以应用于机械、土木和塑性理论等领域中的很多空间轴对称塑性问题. 给出两个计算实例，并与用统一弹塑性有限元程序UEPP的计算和文献中的Mohr-Coulomb理论的实例进行了比较. 结果表明提出的统一特征线场在理论上是可靠的，在实用中是可行的，它的工程应用可以取得相应的经济效益.     

多维虚内键模型(VMIB)及其在岩体数值模拟中的应用

多维虚内键模型(VMIB, virtual multi-dimensional internal bonds)是在虚内键(VIB, virtual internal bond)理论基础上发展起来的一个多尺度力学模型. VIB理论认为固体材料在微观尺度上由随机分布的材料微粒(material particle)组成, 微粒之间由单一法向键连结; 而VMIB模型则在原VIB模型单一法向键基础上又引入了切向键用以约束微粒点对之间的相对转动自由度. 材料的宏观本构方程则由两种虚内键的刚度系数导出, 并在理论上证明了微观两种虚内键的刚度系数与宏观材料常数之间存在一一对应关系, 表明了在VMIB模型中增加切向键的充分性和必要性. 由于材料的断裂准则直接嵌入到本构方程中, 这使得VIB和VMIB模型在模拟材料断裂破坏方面有着较大的优越性. 岩体由于受到分布裂纹的切割作用, 宏观上表现为各向异性力学特征. 在岩体损伤模型中, 岩体裂纹的分布特征通常由损伤张量描述. 岩体在某一方向上的相对刚度大小决定于该方向上损伤值的大小. 在VMIB模型中, 微观虚内键的空间分布密度决定着材料宏观各方向上相对刚度的大小, 这与岩体损伤对岩体力学性能的影响是一致的. 文中在损伤张量与虚内键分布密度之间建立了定量关系, 将岩体等效为VMIB固体. 理论与试验结果表明, 这种等效的VMIB固体可以再现分布裂纹对岩体力学性能的影响, 这为进一步应用VMIB模型对岩体破坏行为进行数值模拟奠定了基础, 同时也为其他多裂纹体的数值计算提供一种新思路.     

基于协同与耗散的能质传输理论

本文聚焦热力学流和力的本构关系,揭示能质守恒方程中热流、质流、功流和动量流的扩散机制,协同方程中热力学力的协同机制,以及平衡方程中热力学流的耗散机制.通过考察多物理场的相互作用,建立流体传热、传质、耗功以及动量传输之间的协同关系.通过分析传输过程的能质耗散,表征热、质、功和动能的传输损失和传递效率.最终提出宏观能质输运统一方程组,架构基于协同和耗散的能质传输理论体系.     

广义流传递过程的广义耗散最小化

广义热力学优化理论研究的重要内容之一是追求优化结果的普适性.本文首先在回顾现有文献关于传热、传质、电容器充电、经济贸易过程等不可逆过程动态优化研究工作的基础上,基于广义热力学优化理论的研究思路,通过定义广义势、广义力、广义流、广义势容、广义耗散、广义耗散力等物理量,建立了一类广义流传递过程的广义热力学物理模型,形成了相应的动态优化问题,即在广义流守恒方程约束下求解广义流传递过程广义耗散最小化.然后,分别应用欧拉-拉格朗日方程和平均最优控制理论导出了普适的优化结果即最优性条件,并基于普适的优化结果得到了一些新结论.接着,进一步讨论了上述研究结果和结论在换热过程、等温节流、单向等温传质、双向等温传质、等温结晶过程、电容器充电过程、经济贸易过程等特例中的应用.最后,提出了不可逆过程"广义热力学动态优化"的研究思想.本文的研究结果丰富和完善了广义热力学优化理论.