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.     

混凝土材料非线性多轴动态强度准则

将广义非线性强度理论的4个材料参数转化为混凝土材料的基本强度参数,通过混凝土材料的基本强度特性,分析了4个材料参数的变化规律与取值范围.基于S准则建立了混凝土材料4个基本强度参数的率效应表达式,建立了混凝土材料的非线性多轴动态强度准则,分析了动态强度参数的率效应规律,结果表明,混凝土材料的强度特性随着应变率的提高,逐渐向金属材料的强度特性过渡,在应变率从-3~3,应变率对混凝土动态强度的影响较大,并且动强度不是随着应变率的提高无限增大的,而是存在动强度峰值.通过与3组双轴压-压和2组双轴拉-压动态加载时混凝土材料试验结果的比较,表明非线性多轴动态强度准则可较好地描述混凝土材料双轴动强度规律.在同一应变率下,可较好地描述强度的非线性特性;不同应变率下,动强度面互不相交,即应变率效应与多轴应力状态对强度规律不存在耦合影响.     

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.     

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.     

空间轴对称塑性问题的统一特征线场理论

提出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，可以适用于各种没的材料，现有的基于Tresca准则、Mises准则和Mohr-Coulomb理论的特征线场以及Haar-vonKarman完全塑性条件和Szczepinski假设的轴对称征线场均为此理论的特例，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。     

考虑孔隙压密的岩石非线性变形行为计算分析

含孔隙裂隙岩石的非线性变形对分析岩体工程中的力学响应和安全评价具有重要意义.需要考虑岩石的孔隙性建立能够反映岩石变形非线性特性的本构模型.本文首先分析了岩石非线性变形的力学机理,将岩石的全应力应变曲线分成两段.然后对两段分别建立本构关系:在压密闭合阶段,提出压密因子的概念,以表征孔隙率变化对岩石变形特性的影响;除压密闭合阶段外的另一阶段,基于损伤理论,采用岩石细观单元本构模型来描述,以最大拉应变准则和摩尔-库仑准则作为损伤判断准则.借助有限元分析软件COMSOL Multiphysics,通过MATLAB编程实现对该模型的数值求解.为验证模型的正确性,将数值模拟得到的结果与试验数据进行对比.最后,对6种孔隙率不同但岩石基质相同的岩石进行了单轴压缩破坏过程数值模拟.研究结果表明:运用提出的压密因子所建立的本构模型可以很好地模拟岩石的压密闭合阶段的非线性,对同种岩石孔隙率越大单轴抗压强度越小,随孔隙被压密弹性模量越来越大.     

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.     

Co原子浓度对Co-Mn-Si薄膜各向异性磁电阻及半金属性的影响

向原子比为2:1:1的Co-Mn-Si合金薄膜中掺杂Co原子,试图发现Co-Mn-Si合金薄膜半金属性的变化规律.通过制备系列不同成分Co-Mn-Si合金薄膜,并测试薄膜的各向异性磁电阻比.结果发现制备的Co50Mn Si薄膜具有良好的B2结构,杂质及缺陷数量少(剩余电阻比大),各向异性磁电阻比为负值,从而具有良好的半金属属性.随着Co原子浓度的增加,Co-Mn-Si薄膜B2结构取向度降低,剩余电阻比减小,各向异性磁电阻比增大,其半金属属性随Co原子浓度的增加被逐渐破坏.     

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．     

粉末体冷加工的变形机制

针对粉末体的非连续性及由此导致的内部应力的不确定性, 引入颗粒介质力学的概率理论、颗粒介质的Mohr-Coulomb屈服准则和晶体滑移变形的临界切应力理论, 提出了粉末体冷变形的统计学机制和高温超导线/带材织构形成机理, 同时提出了一种粉末体屈服准则假设.     

Fe-Mn-Si 形状记忆合金fcc(γ)→hcp(ε)马氏体相变的临界驱动力

应用周国治提出的新溶液模型计算所得的Fe Mn Si中γ和ε相的Gibbs自由能 ,并考虑了Si的影响 ,重新导出了γ和ε相随温度变化的热力学参量 .用最小均方根方法将实验值拟合得到合金γ相的Neel温度与组分浓度 (摩尔分数 )的关系式 :TγN=6 7xFe 5 40xMn xFexMn[76 1 6 89(xFe-xMn) ]- 85 0xSi.计算得到不同组分Fe Mn Si合金马氏体相变的临界驱动力ΔGγ→εc ,即合金在Ms 温度γ和ε相的自由能差 ,例如 ,Fe 2 7.0Mn 6 .0Si合金的ΔGγ→εc =- 1 0 0 .99J/mol,Fe 2 6 .9Mn 3.37Si的ΔGγ→εc =- 1 2 2 .1 1J/mol.ΔGγ→εc 与组分的依赖关系符合低层错能合金中fcc(γ)→hcp(ε)马氏体相变的临界驱动力表达式 ,即ΔGγ→εC =A·γ B ,其中γ是层错能 (SFE) ,A和B为与材料相关的常数 .     

中主应力对岩石材料影响的机理及理论模型研究

利用颗粒离散元法分析了中主应力对岩石在真三轴条件下峰值应力、微裂纹数目变化、颗粒摩擦耗散能、破坏方式、微裂纹分布的影响.数值模拟再现了随中主应力增大,岩石材料强度先增大后减小的变化规律.细观层面,中主应力增大使得微裂纹在加载平面上投影由均匀变得不均匀.中主应力比b大于0.5,岩样在屈服阶段产生微裂纹显著增多,颗粒摩擦耗能增大非常明显.中主应力一方面抑制了法向沿中主应力方向(或存在该方向分量)的微裂纹的扩展,这将导致岩样强度的增加.另一方面,法向沿小主应力(或存在该方向分量)的微裂纹的扩展得到了促进,这导致岩样强度的减小.这种对不同方向微裂纹扩展的抑制或者促进作用导致岩样宏观强度呈现先增大后减小的变化规律.基于Weibull统计理论,建立了能反映岩石强度中主应力效应的概率统计强度模型.采用剪应力来表示计算强度,推导出一个新的能反映中主应力和材料不均匀性综合影响的强度准则.该准则可以视为Mohr-Coulomb准则的修正,当材料绝对均匀时该准则可以退化为Mohr-Coulomb准则.通过和真三轴压缩试验结果、数值模拟结果以及常用强度准则对比发现本文强度准则能很好地反映中主应力对岩石强度的影响规律.     

基于黏塑性损伤模型的高拱坝长期稳定性评价

高拱坝长期稳定性分析对高拱坝长期安全至关重要,除了要考虑坝址区岩体的时效变形及损伤外,还应采取合理的整体稳定和局部破坏的判别指标.基于弹-黏弹-黏塑性模型,提出了一种采用时效塑性余能与超屈服力进行高拱坝长期稳定评价的分析方法.黏弹性模型采用Kelvin模型,黏塑性模型采用Duvaut-Lions模型,基于连续损伤力学的有效应力和应变等效假设,编制了可以考虑损伤的三维有限元分析程序,并应用于高拱坝的长期稳定性分析中.根据塑性余能与时间的关系曲线来评价高拱坝的长期稳定性,根据超出屈服面的超屈服力的发展和分布来评价局部破坏和关键加固部位.结果表明,该方法可有效用于高拱坝的长期安全性评估.     

Au-Cu系的合金相特征原子排列晶体学

本文指出合金相结构的描述取决于所采用的结构单元序列．在系统合金科学（SSA）的合金相特征原子排列晶体学中，合金相的结构是采用对称要素序列和特征原子序列相结合的方式来描述，称之为合金相的特征原子排列结构．它除了能显示结构的对称性之外，还可以给出格点上的特征原子种类以及合金相微观不均匀性．每个特征原子都有其自身的特性：近邻原子组态，势能，体积和电子结构等．合金相的微观不均匀性可以通过特征原子的浓度分布和短程有序参数分布来描述．同时本文对合金相的电子结构和合金相中特征原子的电子结构之间的差异也作了讨论．     

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.     

微成形中尺寸效应研究的进展

微纳米尺度下微细工件塑性变形中会出现尺寸效应,即随着工件尺寸的减小材料的应力应变关系、塑性成形性能和摩擦系数等成形工艺参数呈现出与常规尺寸工件的塑性变形不同的特点,对于尺寸效应的研究是微成形工艺研究的基础.本文首先综述了实验观察到的各种尺寸效应现象,如随着晶粒尺寸的减小塑性变形机理发生变化,从而导致Hall-Petch关系的变化.然后,介绍了为描述材料应力应变关系中出现的尺寸效应而提出的各种材料模型,其中考虑表面层晶粒体积分数、工件尺寸与晶粒尺寸的比值、应变梯度等因素的影响对经典塑性塑性力学模型进行的修正可以从现象学的角度描述尺寸效应,而基于位错运动、统计存储和几何必须位错密度的演化、晶界滑动等塑性变形机理的的本构模型,不仅能更准确地描述尺寸效应等塑性变形行为,而且能更深入地揭示尺寸效应的物理本质.另外,对于尺寸因素与极限应变的关系和摩擦中呈现的尺寸效应研究也进行了介绍.     

Ni2MnGa铁磁形状记忆材料

铁磁形状记忆合金 (FSMA)是在一定温度范围马氏体相稳定同时又具铁磁性的一类特殊的形状记忆合金。Ni2MnGa铁磁形状记忆合金近年来成为呈现磁场驱动大应变的新型驱动材料 ,这些应变来自磁场诱发马氏体孪晶的重排 ,而不是磁场对奥氏体至马氏体相变的作用。孪晶变体的重排在宏观上呈现为正或切应变 ,一非化学计量比Ni2 MnGa单晶于室温加 0 .4T磁场能产生6 %的应变 ,Ni Mn Ga单晶在高至 15 0Hz的交变磁场仍可得到 2 .5 %的应变。本文阐述了与这种磁控形状记忆效应相关的孪晶界迁动的磁学和晶体学理论。马氏体相的大磁晶各向异性能使磁化沿c轴方向有利 ,穿过孪晶界c轴刚好转动 90度 ,同时 ,这个孪晶界也构成了约 90度的畴界。在各向异性的情况下 ,孪晶界的迁动仅有相邻孪晶变体的Zeeman能差驱动 ,μ0 ΔMis·Hi。磁场和外应力对应变的影响通过对一简单的自由能表达式取极小值来表示 ,自由能表达式包括Zeeman能、磁晶各向异性能和外应力以及在某些情况下需考虑的内部弹性能 ,模型的所有参数可通过应力 应变曲线和磁化曲线测量得到。铁磁形状记忆合金的磁场诱发应变可类比传统热弹性形状记忆效应 ,与更为人们所熟知的磁致伸缩现象不同。     

空间薄壁截面梁的双重非线性有限元模型

本文根据Bernoulli-Euler梁理论和Vlasov薄壁杆件理论,通过设置单元内部节点并对弯曲转角和翘曲角采取独立插值的方法,建立了可考虑剪切变形及其耦合、弯扭耦合和二次剪应力影响的空间薄壁截面梁双重非线性有限元模型.以TL格式描述几何非线性应变,并推得几何刚度矩阵.同时考虑了材料非线性,假定材料为理想弹塑性体,符合Von Mises屈服准则和Prandtle-Reuss增量关系,采用有限分割的方法,由数值积分得到空间薄壁截面梁的弹塑性刚度矩阵.算例表明本文所建模型具有良好的精度,适用于空间薄壁结构的有限元分析.     

42CrMo钢的动态力学行为及高应变率效应的本构模型

为研究42Cr Mo钢的冲击动态力学性能及本构模型,进行了冲击动态压缩实验和金相观察.材料表现出强烈的应变率依赖性,同时还得到不同应变率下力学性能差异的主要原因在于冲击动态载荷下的绝热剪切行为.采用热激活理论,分别考虑热应力和非热应力来解释变形机理,得到了应变率效应的描述.基于此,本文提出含高应变率效应的动态本构模型,通过绝热剪切准则来确定失稳的起始点,并与模型进行耦合.该模型能很好地描述42Cr Mo钢的准静态和冲击动态力学行为,特别是应变硬化效应和应变率效应.     

非平衡凝固理论的发展

近年来,非平衡凝固技术迅速发展,但相应的工艺设计仍主要依赖于经验或半定量理论,无法满足当前材料加工过程控制的苛刻要求.经典凝固理论的建立基于诸多假设,如相图的线性液/固相线假设、合金热力学性质的理想稀溶液假设及体系动力学过程的局域平衡假设,其研究对象为模型合金而非实际浓溶液、多元合金等;经典与现实的差距迫切需要突破经典假设的束缚以更好地发挥凝固理论在工艺设计中的指导作用.本文针对单相固溶体合金,介绍了近年来松弛经典假设后凝固理论的发展.阐述了基于理想稀溶液假设的二元合金微观尺度界面动力学、界面稳定性、枝晶生长,以及耦合微观与宏观的全转变动力学理论的发展,阐明了非线性液/固相线的重要作用.针对二元、多元浓溶液合金,介绍了界面动力学、界面稳定性和枝晶生长理论的发展,阐述了组元间互作用的重要性.当前凝固理论发展摒弃了诸多经典假设,缩短了理论研究与实际工业生产的差距,拓宽了凝固理论的应用范围,更准确地描述了非平衡凝固过程,促进了非平衡凝固理论在工业生产中的应用.