基于损伤的冻土本构模型及水、热、力三场耦合数值模拟研究

从材料的细观力学机理出发,建立了含损伤的冻土弹性本构模型．对于不同温度和冰体积含量下的冻结砂土,由该模型计算的结果与实测的应力-应变曲线较吻合,建立的冻土损伤本构模型能够较好地描述实际冻土材料的力学性质．利用自行开发的有限元程序,加入所推出的本构关系和所建立的数学力学模型,通过对渠道冻结和冻土路基的水分场、温度场、应力场进行数值模拟计算,得到了比较准确、详尽的符合实际的温度场与应力场、位移场、应变场耦合的计算结果,与前人的计算及实测结果相吻合,规律一致．算例表明该程序能够计算冻土材料的相关物理量,且能很好地描述它们之间的关系．研究在前人的工作基础上,结合青藏铁路路基工程,通过对冻土水、热、力三场耦合机理这一固体力学学科领域的难点问题研究,为冻土工程的设计、施工和维护提供有效的科学依据、分析模型及必要的参考．     

单轴冲击载荷下基于塑性细观力学的冻土本构模型研究

随着寒区工程建设成为中国基础建设的又一大热点,对于冻土冲击动态力学性能及其本构模型的研究已显得十分必要。不同冻结温度的冻土试样通过采用分离式霍普金森压杆(SHPB)进行了不同应变率下的单轴冲击压缩实验。实验结果表明:冻土的弹性模量随着冻结温度的降低而升高,没有明显的率相关性;冻土的强度随着冻结温度的下降和加载应变率的升高而增大。基于实验结果,采用平均化方法推导了与冻结温度相关的冻土等效弹性常数的表达式。同时,采用基体各向同性化的切线模量法建立了冻土的动态塑性细观力学模型。进而,引入与冻结温度和加载应变率相关的连续损伤演化模型构建了冻土的冲击动态本构模型。相应的模拟结果表明,该模型能够很好地描述冻土的动态力学行为。     

冻土-构筑物界面粘聚-损伤-摩擦本构模型

冻土与构筑物界面本构模型对寒区工程的设计、分析和数值模拟至关重要.耦合粘聚损伤模型和摩擦模型建立了冻土与构筑物界面的一维本构模型.模型从界面的细观力学特征出发,考虑胶结冰在界面剪切过程中的力学响应及界面出现相对滑动后的摩擦力学特征,将界面微元区域分为损伤部分和非损伤部分进行分析.在界面发生相对位移的过程中,微元由非损伤向完全损伤过渡,其中非损伤部分假设为弹性变形,随着损伤的发展摩擦力逐渐发挥作用.基于界面的基本运动学假设得到了微元体损伤演化过程和摩擦演化过程,进而依据均匀化方法建立了界面的本构关系,模型中的参数物理意义明确且容易从试验数据中获取.数值结果表明模型对界面的应变软化型曲线和应变硬化型曲线都有较好的拟合效果,试验曲线中的关键参数在模型中都能够体现.     

基于强度理论的岩石损伤弹塑性模型

根据单轴受力特性曲线唯象地考察岩石材料损伤演化,定义弹性应变表示的一维损伤变量及其本构模型,利用双剪强度理论将其推广至三维模型.塑性是潜在破坏面的摩擦滑移,在传统塑性理论的框架中,建立了基于摩尔-库仑强度理论与潜在滑移面摩擦软-硬化特性的各向异性损伤弹塑性本构关系.结果表明,计算的损伤演化与CT观测结果符合很好,用本文的弹塑性模型反映损伤材料的力学特性是可行的.     

考虑损伤发展的钢材混合强化本构模型

为了更准确地模拟往复荷载作用下金属材料的劣化,在大变形弹塑性理论及损伤力学理论的基础上,采用双线性混合强化模型及Lemaitre损伤模型建立了可考虑损伤发展的混合强化弹塑性本构模型.提出了利用单轴拉伸材料常数计算损伤材料参数的近似方法.利用有限元程序ANSYS的用户可编程特性,将所编制的材料模型子程序嵌入ANSYS程序...     

基于Sevostianov理论的冻土本构模型

利用Sevostianov夹杂理论及实验成果给出各向同性基体的颗粒夹杂型复合材料的力学、热学性能与夹杂体分布之间的函数关系,即冻土的横观各向同性弹性本构模型;推导出冻土的弹性本构与冰晶体回转对称轴方向及含冰率的解析表达,并拟合了冻土弹性解析表达式中待定参数与温度的函数关系,为冻土的数值计算提供了理论支撑.     

钢筋混凝土简支梁结构破坏过程的损伤模型与数值模拟

将损伤力学理论与有限元法相结合,研究钢筋混凝土简支梁静载作用下的损伤破坏过程.基于弹性损伤一般理论,考虑了混凝土材料在受拉与受压状态下损伤行为的不同,建立了含三个独立参数的损伤力学模型.运用损伤力学-附加荷载-有限元法,对钢筋混凝土简支梁结构的损伤破坏过程进行了数值分析,其破坏模式和位移的理论结果与试验结果相吻合.研究结果表明,该损伤本构模型可较好地描述钢筋混凝土简支梁结构的损伤与破坏行为.     

基于次弹性模型的三维牙周膜建模仿真研究

建立和研究牙周膜的次黏弹性本构模型.对用次弹性模型描述牙周膜力学特性的合理性进行了分析,基于各向同性假设和小应变的条件进行推导,建立了基于单轴拉伸实验数据的牙周膜多轴次弹性模型;基于已有的试验数据,构建了牙周膜次黏弹性本构模型,并确定了粘性参数;在此基础上,建立了牙颌有限元模型,并使用次弹性模型对文献的实验进行了仿真.结果表明,有限元仿真结果与实验数据基本符合,该次弹性本构模型能够描述牙周膜的力学特性.     

钢筋混凝土拱结构静荷载作用下的非线性行为分析

基于弹性损伤普遍理论,取其三阶近似形式,得到一个含有四个独立参数的损伤本构模型。在该损伤本构模型中,引入一个拉压修正系数,用于描述混凝土材料在受拉与受压状态下损伤行为的不同。采用损伤力学有限元数值方法,对一钢筋混凝土拱结构整个加载过程中的非线性行为进行了详细分析计算,并与试验结果进行对比。研究表明,所建立的损伤本构模型,可较好地反映钢筋混凝土结构的非线性特征与规律。     

混凝土单轴受力损伤本构模型

为了建立一种新的单轴受力下混凝土损伤本构模型,应用损伤力学理论,假设混凝土卸载刚度与初始刚度的比值和混凝土卸载后剩余的弹性应变能与总应变能的比值在数值上是一致的,由此将弹性模量损伤和能量损伤结合为一体,通过数值方法可确定混凝土单轴受力损伤变量的具体数值.在已有不同强度等级混凝土单轴受力的应力一应变全曲线统一计算方法的基础上,通过数值积分和拟合回归,建立了单轴应力状态下混凝土损伤演变方程和损伤本构模型.结果表明:该模型可描述混凝土单轴循环加载受力状态下的力学特性,与混凝土单轴受力试验结果吻合较好;该研究成果可望进一步应用于反复加载下混凝土结构非线性有限元分析中.     

含损伤的冻土动态本构模型研究

为研究冻土动态本构关系,基于损伤理论研究冻土的变形过程,用唯象模型将冻土看成黏性体和损伤体的并联组合体,并且利用强度理论以及复合材料等效夹杂原理获得冻土在冲击载荷作用下的动态本构模型及其参数的确定方法. 利用分离式霍普金森压杆(SHPB)对冻土进行冲击加载实验,获得冻土在不同应变率冲击载荷作用下的应力-应变曲线,实验结果表明冻土具有明显的应变率相关性. 对比实验曲线和理论曲线可以看出模型计算与实验结果吻合良好,说明了建立模型的方法是可行的,且该模型能够很好地反映冻土动态加载过程的主要特征.     

深井冻结壁粘弹塑性力学分析

通过大量的冻结粘土单轴蠕变试验,获得了单轴应力状态下的蠕变曲线及其参数.根据材料在弹性条件下单轴和三轴条件下的应力强度和应变强度关系,建立了三向应力状态下冻土的蠕变本构方程;分析了粘弹塑性冻结壁应力状态及塑性区的扩展规律,推导了不同区域冻结壁应力场和位移场的计算公式,探讨了防止冻结管断裂的措施.     

不同本构模型对计算防渗墙应力的影响

利用平面有限元对某深厚覆盖层上的高土石坝防渗墙进行应力分析,研究防渗墙混凝土采用线弹性本构模型和非线性弹性本构模型时计算的应力差异,并对比了相同防渗墙高度不同坝高和同一坝高不同防渗墙高度下2种模型对防渗墙应力的影响。分析表明,2种本构模型计算的防渗墙应力变化规律相同,但弹性非线性模型计算的应力比线弹性模型计算结果小。在低应力情况下两者计算值接近,在高应力情况下两者计算值差异较大。防渗墙最大应力随坝高和防渗墙高度的增加而增大,2种模型计算的最大应力的相对误差也随着坝高和防渗墙高度增加而显著增大,且呈线性增大趋势。对坝高或覆盖层厚度较大的情况,防渗墙应力较大,宜采用非线性模型进行计算。     

Dynamic constitutive modeling of frozen soil under impact loading

In this study, an isotropic hardening constitutive model is presented to study the behavior of frozen soil under impact loading. In plasticity, a modified Drucker–Prager yield function is adopted. Based on the experimental investigations at different strain rates and different temperatures by means of split Hopkinson pressure bar, the Drucker–Prager criterion has been modified with consideration in the effect of strain rate, and the model parameters have been determined. Compared the constitutive model with the experimental results, the predicted tendencies of the model corresponded well to the test curves.     

堆载下土体侧移及对邻桩作用的有限元分析

在分析堆载作用下土体侧向位移的基础上 ,采用有限元法对无桩条件下的自由场土体侧向位移以及设置桩基后的桩土相互作用进行了数值分析 ,讨论了土体弹性模量和泊松比对土体和桩基侧向变形的影响 .结果表明 ,邻近堆载的自由场土体侧向变形可近似为上部软土的抛物线形和下部硬土的倒三角分布模式 ,采用不同的土体本构模型 (弹性或弹塑性 ) ,桩基的变形规律随弹性模量、泊松比变化而不同     

水泥土强度特性和损伤本构模型研究

为探究围压对水泥土强度特性的影响以及建立不同围压影响下的损伤本构模型,开展室温和冻结状态不同围压下三轴剪切试验.考察了围压对水泥土力学参数的影响规律,建立能够反映出低围压对冻结水泥土强度的强化作用和高围压的弱化作用的修正Hoek-Brown强度准则.假设水泥土微元强度的分布规律服从双参数的Weibull函数,基于Hoek-Brown强度准则和其修正形式分别确定室温和冻结状态下水泥土微元强度,建立了考虑围压的统计损伤本构模型.结果表明,基于Hoek-Brown强度准则和其修正形式建立的损伤本构模型能够较好地描述室温和冻结状态下水泥土应力-应变曲线,且能够反映出冻结状态水泥土低围压下的应变软化现象与高围压下的应变硬化现象.室温状态时不同围压下损伤变量随轴向应变变化曲线形状相似,均随轴向应变增加呈"S"型单调递增.冻结状态下低围压抑制水泥土损伤劣化程度;高围压使其损伤劣化程度增加,在轴向应变很小时,损伤变量就达到较大值.     

有限变形理论的深厚冲积层冻结壁变形特性分析

冻结壁的变形及其影响因素是冻结凿井工程,特别是深厚冲积层冻结法凿井工程中急需研究解决的技术课题。基于有限变形理论,利用冻土有限变形本构关系及其蠕变参数,对深厚冲积层(超过400m)冻结壁进行了有限元分析,表明冻结壁井帮径向位移在段高内的分布是不均匀的,一般是上下小、中间大,并且冻结壁内部径向位移比井帮径向位移小;得出了冻结壁井帮的最大径向位移与冻结壁厚度、冲积层厚度、开挖段高、开挖段井帮暴露时间和井筒开挖半径关系表达式,并得到了现场实测验证。     

饱和土壤固结非线性有限元分析

为发展一个实用的土壤固结非线性有限元分析程序，在以往工作的基础上，以变分原理为基础，给出了饱和土壤固结弹塑性分析的基本方程．利用文中的理论，编制了有限元通用分析程序ＤＩＡＳＳ，并进行了例题计算．对考虑非线性弹性与弹粘塑性模型的土体固结分析方法进行了讨论．     

冻土非线性断裂破坏过程数值计算分析

冻土具有非线性特征,因此其断裂破坏过程也是非线性的并存在微裂纹损伤区(MDZ),将MDZ简化为虚拟裂纹,并考虑到冻土特性,假定在虚裂纹面上存在着胶结力,提出了冻土断裂破坏的胶结力裂纹模型,并具体讨论了张拉型破坏和压缩破坏的胶结力裂纹模型.其次,依据Paris位移公式,分别推导均布外力作用下,裂纹面上作用有非线性分布胶结力情况的裂纹尖端张开位移一般表达式,进一步导出了三点弯曲梁及压缩破坏的裂尖张开位移表达式,为冻土非线性破坏过程及特征参数的计算提供依据.最后分别对三点弯曲梁模型及有侧限压缩模型进行了数值计算.对三点弯曲梁计算了不同温度下冻土破坏过程曲线,给出了不同土质非线性破坏特征值-临界张开位移值,并与实测值进行比较,二者相符;对压缩模型,给出了裂纹张开位移过程曲线和不同土质张开位移临界值,并与理论预测值进行了比较,二者也基本相符.在计算方法上采用了有限元和解析法相结合的半解析有限元法.