颗粒材料修正的微形态连续体模型研究

基于细观力学给出了1个颗粒材料的修正的微形态连续体模型。在该模型中,考虑了颗粒的平动和转动,且对颗粒间的相对运动进行分解,认为颗粒的细观真实运动(包括平动和转动)是由细观平均运动与1个表征相对于平均运动的波动组成。对微曲率进行对称修正,推导得到了与对称应变张量共轭的对称柯西应力张量,与对称微曲率张量共轭的对称偶应力张量,以及与非对称相对应变张量(微曲率张量)共轭的非对称相对应力张量(偶应力张量)。基于运动分解与对称修正,最终得到了1个颗粒材料的1阶微形态宏观本构关系。宏观本构关系包括应力-应变关系,偶应力-微曲率关系,以及相对应力(偶应力)-相对应变(微曲率)关系。宏观本构模量通过表征细观信息的接触刚度、内部长度参数等识别。     

土工结构物渐进破坏过程Cosserat连续体有限元分析

基于压力相关弹塑性Cosserat连续体模型的有限元过程,有效地模拟了挡土墙、开挖边坡等岩土工程结构中由土体剪胀(非关联塑性流动)或应变软化行为所引起以应变局部化为特征的渐进破坏现象.挡土墙中的土体考虑为非关联的理想弹塑性材料,而边坡开挖中的土体为应变软化弹塑性材料.数值结果表明,基于经典连续体的有限元分析不能完成整个破坏过程的模拟,而所发展的基于Cosserat连续体模型的有限元过程具备保持由非关联塑性或应变软化引起的应变局部化边界值问题的适定性和模拟土工结构物中整个渐进破坏过程的能力.     

“地质体渐近破坏过程的演化机理及计算模型”2010年度报告

该研究“地质体渐进破坏过程的演化机理及计算模型”主要针对工程地质灾害在成形阶段地质体由连续介质向非连续介质的转化特性,建立地质体由既有局部破坏向整体贯穿性破坏的内在机理,并建立相应的判别准则;发展细观与宏观力学参量对应关系的均匀化方法和局部化模型,通过对地质体在灾害成形阶段的宏观细分析,建立内部破坏状态与宏观可测物理量之间的对应关系,并重点研究地质体内部破裂程度与声发射、波动特性及衰减规律、内部滑移与地表位移、地表裂缝之间的对应关系,确定地质灾害发生的前兆信息;发展地质体宏观连续体模型与细观离散体模型相结合的跨尺度计算模型,并开发相应的计算软件。在2010年度,研究组围绕年度研究计划,主要开展了如下工作,即:提出了非均质梯度Cosserat连续体的Hill定理;发展了基于细观力学信息的模拟颗粒材料力学响应的离散颗粒集合体-Cosserat连续体的宏观本构模型与细宏观计算均匀化方法;发展了耦合离散单元法和Cosserat连续体有限元法的连接尺度方法;研究了工程地质灾害中岩土颗粒介质的类固-液转化特性及本构模型;发展了岩土材料离散元方法的高性能、大规模数值算法;研究了考虑滚动摩擦的颗粒接触模型和具有破碎解簇功能的非规则颗粒;研究了基于亚塑性/扰动状态模型的土石混合体渐进破坏模拟及颗粒破碎影响;研究了地质体渐进破坏过程及剪切带的发生与演化机理。     

考虑应变率效应的混凝土疲劳损伤本构模型

基于边界面概念和连续损伤力学理论,建立了由应变控制的混凝土拉、压疲劳损伤本构模型.在此基础上,通过对应变能释放率Perzyna黏性规则化来考虑混凝土的应变率效应,从而获得了可以研究材料静力、动力和疲劳特性的统一混凝土疲劳损伤本构模型,并用C＋＋语言编程对考虑应变率效应的混凝土本构关系和试验实例进行了计算和比较,结果表明该模型能较好地模拟混凝土应变率效应.     

横观各向同性岩土结构极限承载力的数值研究

基于Cosserat连续体,建立了描述横观各向同性岩土材料的弹塑性模型,在该模型中,弹性本构关系由5个变形参数描述,塑性阶段通过引入组构张量及加载方向建立了修正的Drucker-Prager准则.针对上述模型推导了一致性映射返回算法的迭代格式及模量矩阵,结合适用于Cosserat连续体的平面应变8节点减缩单元应用ABAQUS用户自定义单元接口UEL进行了数值实现.数值算例分析了各向异性程度和材料主方向对横观各向同性岩土结构的极限承载力和变形局部化模式的影响.结果表明,所建立模型能较好地模拟横观各向同性岩土结构的应变局部化行为,且较好地解决了伴随应变局部化现象出现的网格依赖性问题.     

基于扰动状态概念的颗粒材料应变局部化行为模拟

基于经典连续体的Duncan-Chang模型缺少用于表征材料破坏程度的参数及与应变局部化带宽相关的特征长度,且无法反映材料的软化特性.为此,基于扰动状态概念,引入Cosserat连续体理论作为正则化机制,以Duncan-Chang模型描述相对完整状态下材料的响应,以临界状态模型描述完全调整状态下材料的力学行为,并分别基于常规三轴试验曲线与体积应变阈值、形状改变能极限状态概念提出两种扰动因子演化方式.利用数值算例考察了扰动对材料承载力、应变局部化行为的影响.模拟结果表明:两种演化方式均能描述材料的软化特性,第二种方式在预测剪破角变化规律方面更为合理;所发展的扰动状态模型在模拟应变局部化问题时可以在一定程度上消除对有限元网格密度的敏感性.     

孔口应力集中问题的Cosserat连续体有限元分析

采用四边形四节点和四边形八节点2种Cosserat连续体单元对一般平面应变条件下的圆孔、椭圆孔以及菱形孔的应力集中现象进行了数值模拟.结果表明:当孔口变得尖锐时,应力集中因子与应变梯度显著增大;经典的连续体单元可能会过高估计应力集中因子,而Cosserat连续体单元则可以反映孔口的大应变梯度和微结构的影响,从而弱化应力集中因子.为了模拟接近不可压缩或几乎不可压缩材料的孔口应力集中问题,引入了独立的压力场,并基于Hu-Washizu混合变分原理发展了一个四边形四节点单元u4ω4p.数值结果表明,u4ω4p单元与八节点单元能较好地模拟不可压缩材料中的应力集中现象.此外,鉴于其计算工作量小、不易扭曲等优点,u4ω4p具有更广阔的应用前景.     

饱和多孔介质渗流的强-弱不连续统一非局部模型

非均匀饱和多孔介质流体传输模拟关键在于需要考虑由孔隙、裂隙以及不同渗透性介质组成的强–弱不连续面,但这与经典连续介质力学局部流体模型所定义的偏微分方程是不相容的,从而导致饱和多孔介质渗流模拟的困难。基于统一变分近场动力学的基本思想,提出了一种向量态函数用于描述饱和多孔介质流体的非局部传输作用,并在此基础上建立饱和多孔介质流体输运的非局部空间积分–时间微分型控制方程。该非局部流体输运模型统一描述了流体在强–弱不连续面的力学行为,避免了传统局部力学模型在不连续界面处的导数无定义性,且从理论上证明,当非局部流体模型中的非局部作用半径趋于零时,非局部模型可退化为局部模型。为了消除非局部模型内在的零能模式问题,基于罚函数方法提出一种全隐式的数值求解格式以保证数值计算的精确性。最后通过算例分析,模拟了三维非均匀不连续多孔介质中流体的传输过程,揭示流体穿越物质界面、孔隙和裂隙的力学行为。为研究饱和多孔介质中流体在不连续界面传输的力学行为提供了一种分析模型。     

考虑偶应力的层状岩体地下洞室开挖模拟

利用能考虑偶应力的Cosserat介质理论，笔者分析了层状岩体变形破坏的机理，并基于Matlab编制了相应的计算程序。利用该程序，笔者对一个典型的陡倾角层状岩体中大型地下洞宣的开挖进行了计算，结果表明运用该方法是简便和有效的。     

颗粒介质物质点法与离散元法的多尺度建模

颗粒介质是由大量离散颗粒构成的无序材料,在工业生产与自然界中广泛存在.在外界作用下,颗粒材料可以类似固体保持稳定,也可类似流体发生流动,且类固体和类流体之间可以自然转化,目前人们难以采用统一的连续本构进行描述.本文提出了物质点法(Material Point Method,MPM)与离散元法(Discrete Element Method,DEM)的多尺度建模框架,亦即宏观尺度采用适用于大变形问题的MPM,颗粒尺度则采用DEM描述每个颗粒运动,每个物质点的力学性质由该点处若干颗粒构成的代表性体积元的力学性质计算得到,宏观尺度MPM所得变形梯度作为边界条件施加到体积元中,基于DEM计算得到域内的平均柯西应力,反馈到MPM计算,以此实现跨尺度研究.以沙堆倒塌作为算例,验证了MPM/DEM多尺度建模在描述颗粒复杂力学行为的有效性,并对倒塌过程中,宏观应变等信息与内在接触力链网络的关联进行了讨论.MPM/DEM多尺度建模没有引入唯象本构,且适用于大变形问题,为颗粒介质的多力学状态研究提供了新的思路.     

电流变液悬浮颗粒设计初探

建立了外加稳恒电场下悬浮颗粒的等效电偶极子模型,计算了两种特殊情形下电偶极子链对外围单个电偶极子的短程吸引力,提出了对分散颗粒在结构和材料上进行设计的思想。     

拉伸损伤细观机理的弹性力学分析

损伤力学有2个主要分支：连续损伤力学和细观损伤力学.在连续损伤力学理论中,许多学者采用引入损伤变量到材料的本构方程中的办法,来反映材料的不可逆变化过程,这种方法在工程应用中具有简单实用的优点,但损伤变量的物理意义不是特别清晰,而且难以找到拉伸损伤变量和剪切损伤变量之间的联系,往往是只能建立两者各自独立的损伤演化方程.在弹性力学理论中利用复变函数方法能求出材料在给定的受力状态下的位移场,在此基础上,可分析平面应力条件下含一条微裂纹的单元体边界处和裂纹面上的位移场,通过平均化的方法,得到单元体的平均线应变,进一步分析这种线应变与单元体中裂纹的几何尺寸之间的关系,再利用弹性拉伸本构关系,就可得到脆性和准脆性材料弹性拉伸损伤的细观描述.这种方法已经分析了弹性剪切损伤的细观机理,对进一步建立含有随机裂纹材料的宏细观相结合的损伤理论是很有意义的.     

任意两斜方向间角应变的一个公式

基于连续介质力学随体导数的概念,以随体微分代之以随体导数,应用于弹性体应变分析中,得出了弹性体任意两斜方向间角应变的一个公式,并对该公式的正确性进行了验证.     

岩质颗粒破碎数值模拟研究进展

天然岩质颗粒材料在较大外力作用下,会发生颗粒破碎现象,从而影响到材料的强度、变形、渗透等性能,关系到工程的安全。限于试验条件、颗粒尺寸和形状等因素的制约,数值模拟成为研究颗粒破碎问题越来越重要的一种方法。通过回顾国内外的研究成果,总结了两类重要的数值模拟方法:连续介质力学数值模拟方法和离散元数值模拟方法。通过归纳每种数值模拟方法,重点分析了两种模拟颗粒破碎过程的离散元数值模拟方法:碎片替换模型和凝聚颗粒模型,通过整理两种模型的研究内容及特点,讨论了现有方法存在的优势及局限性,并提出了基于离散元方法研究颗粒破碎问题可能性方向。     

方形覆盖件成形动力显式有限元分析

基于连续介质力学及有限变形理论，建立了退化四节点壳单元的动力有限元模型，用于覆盖件成形分析．数学模型采用物质坐标系中的修正的拉格朗日描述，采取集中质量矩阵，用动力显式积分的方法，使位移计算显式化，避免了由材料、几何、边界条件等高度非线性因素引起的计算收敛问题．根据此模型编制的程序模拟了一方形覆盖件的成形过程．     

基于细观弹性接触的多相颗粒材料本构模型

在考虑了颗粒间细观弹性接触关系的基础上，使用微力学方法得到了随机堆积的多相颗粒材料非线性性本构模型的一般形式。为了说明模型的特点，本文给出了非线性弹性模型在静水压条件下和一维应变条件下的具体形式。模型清晰地反映出不同相颗粒间的接触对整体本构的贡献。与单轴粉末压实实验的对比表明模型预测与实验结果有比较好的一致性。     

沥青混合料单轴压缩试验的离散元仿真

沥青混合料是一种具有非连续性特征的道路材料,而当前的道路设计理论却将其处理成连续均质体系,这使得材料的细观力学性质得不到应有的考虑。为突破常规数值方法基于连续性的理想假设,进行了某级配的沥青混合料单轴压缩试验的离散元模拟,并将模拟试验与室内试验进行了比较。结果表明,离散单元数值方法能够通过改变计算模型中颗粒单元的性质给出与实际试验相符的本构行为。此外,还针对离散元仿真试件的细观力学特征对沥青混合料本构行为的影响进行了初步的参数研究,并揭示了一些规律,这对于离散元方法今后在道路材料和结构工程中的实际应用提供了有益的指导。