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.     

脆性岩石局部细观裂纹成核损伤突变机理研究

脆性岩石内部局部细观裂纹成核导致了岩石局部损伤,弱化了岩石局部强度,进而影响了岩石的应力-变形本构曲线形状.然而,目前关于在脆性岩石局部细观裂纹成核损伤影响下,应力-变形本构曲线的宏细观力学机理研究非常少.本文提出了一种能够解释在脆性岩石局部裂纹成核损伤突变作用下,轴向应力-应变关系、剪切应力-位移关系非光滑曲线的宏细观力学模型.该模型是基于岩石裂纹扩展与应力关系模型、岩石宏细观损伤联系、轴向力学与剪切力学行为之间关系及一种定性描述局部细观裂纹成核损伤突变随变形演化路径函数建立的.局部细观裂纹成核损伤随变形演化路径函数是通过参数ε_(1ini),Δε_1及ΔD,或参数D_(spini),ΔD_(sp)及ΔD进行定义.研究了以上参数对岩石轴向应力-应变关系及剪切应力-位移关系的非光滑曲线影响,着重分析了参数D_(spini),ΔD_(sp)及ΔD对岩石剪切应力-位移关系非光滑曲线的上、下剪切应力及剪切应力降的影响.在该模型基础上,结合岩石压缩声发射试验得到的岩石内部裂纹损伤随变形演化路径数据,提出了一种将理论模型应用于真实岩石力学性能分析的方法,为深部地下工程(深地工程)微震及岩爆事件预测与评价提供了重要理论支持.     

应力波作用下岩石类孔隙介质变形破坏与能量耗散机制的数值模拟研究

通过CT扫描、X射线衍射和物理实验等方法获取了天然砂岩的孔隙结构参数、矿物组成和物理力学性质，研制了具有与天然砂岩相同的孔隙结构特征和基体性质、但孔隙率不同的岩石类孔隙介质的物理模型．利用孔隙介质物理模型的CT扫描图像和MIMICS构建了具有不同孔隙率的孔隙结构三维有限元模型．通过设定应力波动理论假设的条件模拟了孔隙介质SHPB冲击破坏过程，分析了波动应力作用下岩石类孔隙介质的动力学响应、应力传递模式和变形破坏机制．研究表明：利用孔隙介质三维有限元模型可以直观定量地分析应力波传播过程中岩石类介质内部孔隙和基体的应力、应变状态及变形破坏机制．一定压强和波速的应力波传播过程中，孔隙率低于15％的岩石介质内部的孔隙未发生明显变形，变形主要体现为孔隙周边基体的微塑性（剪切变形）和开裂（横向拉应变），以及孔隙周边开裂区域的相互连通．剪应力使基体单元产生微塑性，拉应力使基体单元开裂．孔隙周边基体单元的破坏及相互贯通主要是由于基体单元的横向拉应力或拉应变超过材料的极限值．模拟得到的孔隙介质的应力波传播规律、变形与破坏模式以及能量耗散性质与物理模型的实验结果相吻合．本文研究为解析岩石类孔隙介质的复杂多变动力学响应的内在机制、应力传递模式、变形破坏与致灾机理提供了参考．     

孔隙介质中应力波传播机制的实验研究

采用活性粉末混凝土和聚苯乙烯材料研制了具有与天然砂岩相似孔隙分布特征和物理力学性质的孔隙体模型，通过不同孔隙率模型的SHPB冲击实验和CT扫描实验观察和分析了孔隙体中应力波的传播特性以及传播过程中内部孔隙和固体介质的变化．研究表明：1）孔隙率显著影响应力波的传播特征．相同应变率时，孔隙率越大，反射波幅越大、波峰越多、透射波幅越小；孔隙率降至5％时反射波接近于单峰；应变率越高上述现象越明显；2）孔隙体的能量耗散率WJ／W1随孔隙率增加而线性增加，WJ／W1对应变率较敏感；3）应力波传播性质和能量耗散行为的差异与孔隙的演化机制有关．孔隙率低于10％时内部机制表现为固体介质破裂或形成新孔隙，应力波能量主要被消耗形成新开裂面或新孔隙，原有孔隙变形不大．此过程中应变率对改变孔隙形状的作用不明显；孔隙率高于15％时孔隙演化机制与应变率有关，低应变率时仍以固体介质开裂或形成新孔隙为主，但新增开裂面或新孔隙的数量相对较少；高应变率时内部结构变化同时存在固体介质开裂和孔隙变形两种机制，其中孔隙变形占较大比例，应力波能量大部分被消耗于孔隙变形，表明只有在高孔隙率和高应变率条件下内部孔隙才会发生明显的变形．孔隙离心率e可以较好地刻画应力波作用下孔隙的变形．     

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.     

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.     

基于H-J-C本构模型的掘进机截齿破岩过程的数值模拟

针对掘进机实际外负载难以获取及其载荷特性难以正确把握的现状,提出了利用接触动力学、岩石力学和有限元法等理论和方法构建在显示动力学分析程序LS-DYNA环境下基于H-J-C本构模型的截齿与岩石的接触动力学模型数值模拟平台;利用该平台对掘进机镐形截齿的横摆破岩过程进行了数值模拟,得到了截齿受到的三向阻力曲线;通过载荷特性分析,验证了所得载荷曲线的准确性,并获得了某工况下截齿载荷的主要频率结构;分析了截齿的碎岩机理,发现岩石的破碎是与截齿直接接触的岩石的拉压应力和其周边的剪切应力集中综合作用的结果.     

基体开裂对黏弹性层合圆柱壳延迟失稳的影响

研究了基体蠕变开裂对黏弹性层合圆柱壳的前屈曲变形特征和分岔蠕变屈曲的影响．采用Schapery的耦合基体开裂的积分型本构关系描述铺设单层的力学行为，由细观力学方法将损伤变量值与基体裂纹密度相关联，并建立基体裂纹密度演化与拉伸应力的幂型关系．基于Donnell型扁壳理论和Karman．Donnell几何非线性关系得到黏弹性层合圆柱壳在轴向压缩下的前屈曲变形与分岔屈曲控制方程，综合应用有限差分、三角级数展开以及Taylor的卷积积分数值递规算法求解问题．针对多组几何参数、损伤演化参数以及两端边界条件，分析对称铺设玻璃纤维／环氧复合材料圆柱壳在耦合基体蠕变开裂时的分岔蠕变屈曲行为．数值结果表明：基体横向开裂损伤显著降低了短圆柱壳分岔蠕变失稳的临界时间和持久临界荷载，但这种影响随着圆柱壳径厚比的增加而减弱直至消失，对中长圆柱壳，损伤效应与圆柱壳两端的边界条件有关．     

岩石节理法向加载非线性变形本构模型研究

鉴于节理法向变形的经典指数模型和双曲线（BB）模型的中应力水平加载阶段变形与部分试验结果存在偏离的不足，采用柔度变形法建立了节理法向加载非线性变形的新本构模型．讨论了节理在法向单调加载条件下变形基本规律，提出了完备的节理法向本构方程应满足的3个基本条件．分析指出基于应力变形坐标系的节理法向本构改进模型：统一指数模型和改进双曲线模型在数学上均是不完备的．选择柔度变形（Cn-u）坐标下介于双曲线和经典指数2种传统模型之间的单调递减柔度变形曲线，使其满足法向变形基本条件，建立了节理法向变形本构三参数模型．分析柔度变形曲线存在的两类主要形式，推导了节理法向变形g-δ本构模型和g-λ构模型的具体数学表达形式，并初步分析了模型参数的取值范围及其相关地质影响因素．引用已有不同岩石节理法向变形试验数据，对2种本构模型验证分析表明：g-λ型既可以适用于耦合节理法向变形又适用于非耦合节理法向变形，同时提出的节理法向变形譬．碳型较BB模型、经典指数模型及对数模型能更好地与试验结果吻合．     

基于本构模型的橡胶衬套刚度分析

选取Mooney-Rivlin、YEOH和Ogden三种超弹性本构模型,以橡胶材料基本力学实验数据为基础,识别出三种本构模型的参数。建立汽车悬架橡胶衬套有限元模型,以三种本构模型设置材料属性,计算了橡胶衬套轴向、径向和扭转三个方向的静态力学特性。结果表明,在小变形范围内,YEOH对橡胶衬套轴向变形仿真效果较好,Mooney-Rivlin模型对径向和扭转变形仿真效果较好。     

深层油气藏水力压裂裂缝扩展数值模拟

深层油气藏水力压裂过程中的岩石变形,不仅要考虑弹性变形还要考虑塑性变形的问题,以往的裂缝扩展数值模拟都没有考虑塑性变形.文章基于Drucker-Prager屈服准则和相关联的流动法则建立了弹塑性水力裂缝扩展的数学模型.模型使用润滑理论描述裂缝内流体流动,耦合岩体变形,采用内聚力模型对裂缝扩展过程进行描述.基于有限元方法编制了数值求解器,通过与经典模型计算结果比较,验证了数学模型和算法的正确性.研究结果表明:相比于弹性水力裂缝,在流体注入量相同时,弹塑性水力裂缝长度短,裂缝宽度大,扩展时需要更高的流体压力.由于塑性应变的存在,缝内流体返排后,弹塑性水力裂缝不会完全闭合.随着岩石摩擦角的增大,弹塑性水力裂缝的宽度减小,所需流体压力增大.相对于理想弹塑性,硬化岩石介质中的水力裂缝宽度较小,所需流体压力较大.     

一种孔隙率可控薄膜材料快速生长成形方法及过程模拟

提出采用等离子喷涂技术, 通过改变喷涂参数来生成具有孔隙以及孔隙率可控薄膜的方法. 首先建立了熔融粒子的扁平化模型和扁平粒子堆积模型, 在模型中考虑用涂层内的小缝孔隙和台阶孔隙来模拟喷涂角度对孔隙率的影响. 对孔隙生成的机理以及喷涂角度对孔隙率的影响的模拟和实验研究结果表明: 所提出的方法可以生成孔隙率可控的薄膜, 薄膜层的孔隙率随着喷涂角度的减小而增加. 生成涂层的孔隙率可以达到49%. 当喷涂角度小于30°时, 大量粒子累积的遮蔽效应导致涂层内形成遮蔽孔隙, 使涂层的孔隙率迅速增加; 粉末粒度和粒子速度等参数对孔隙率也有影响. 通过连续改变喷涂角度的方法还可以获得孔隙呈梯度分布的薄膜材料.     

高温变形过程中的动态再结晶类型识别

通过分析高温变形过程中伴随再结晶晶粒长大的内部位错密度变化,判别不同变形条件下动态再结晶过程的进行形式,研究动态再结晶形式对变形参数的依赖规律,发现：低温大应变速率下,高温变形过程中的再结晶形式以连续性动态再结晶为主;高温低应变速率下,以周期性动态再结晶为主.根据动态再结晶软化与加工硬化平衡,得到反映稳态流动时钛合金流动应力对变形参数的响应,建立具有实际物理意义描述钛合金稳态流动本构关系的Arrhenius型方程.通过热模拟压缩实验得到800~900℃,0.0005~10 s-1条件下的TC18钛合金高温变形流动应力应变曲线,验证动态再结晶形式的判据模型,并通过DMM耗散效率分布图分析模型的适用性.通过显微组织分析,研究不同变形参数下的高温变形过程中,不同动态再结晶形式对应的再结晶晶粒粗化/细化的特点.通过各变形条件下真应变？=0.8时的稳态应力验证得到的本构模型,并分析应变速率敏感系数的变化规律.     

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.     

软弱围岩下小净距隧道中岩柱加固方法分析

建立基于Drunker-Prager本构模型小净距隧道弹塑性三维模型，进行室内比尺模型试验的数值模拟。比较数值模拟和室内试验之间的结果，验证数值模型试验的有效性。通过对围岩的位移、塑性区、整体塑性能释放、最大塑性应变分析，比较上、中、下岩盘等不同加固工况的优劣，为实际施工加固方案择提供技术参考。     

基于MSC.Marc的高混凝土坝非线性时效变形量化的程序实现

变形是混凝土坝结构性态的综合反映,尤其是时效变形,是评价大坝结构性态转异和长效服役健康状况的重要指标.针对坝体混凝土徐变和坝基岩体蠕变等材料固有时效变形特征所引起的混凝土坝时效变形,组建了适合高混凝土坝变形的坝体、坝基非线性时变本构模型,并研究了三维应力状态下的时效变形方程,提出了基于Drucker-Prager屈服函数的坝基岩体蠕变分段准则;在此基础上,基于通用商业有限元软件MSC.Marc,研究了本文所建非线性时变本构模型的二次开发程序实现方法,进而实现对高混凝土坝固有时效变形的量化分析.通过算例验证了基于MSC.Marc进行二次开发的可行性和正确性,某高混凝土重力坝固有时效变形的正反分析结果表明了所建模型的工程实用性.     

应变速率敏感性指数的理论和测量规范

应变速率敏感性指数m是判定材料超塑性的重要力学指标, 用拉伸实验测量 m 值的力学研究已有很多, 对超塑性的进展也有很大贡献. 首先从回顾已有拉伸实验测量 m值的公式, 并且把它们归类为定长度 m 值的m_l, 恒速度 m值的m_v和定载荷 m 值的m_P三种典型变形路径下的应变速率敏感性指数. 进而基于拉伸变形的本构方程和塑性力学的基本原理, 建立了广义m值的约束方程. 结合三种典型变形路径规范了m值的力学定义, 并由本构方程定义的广义m值公式统一推导出m_l, m_v和m_P的测量公式. 提出结合典型变形路径用数值模拟测量 m值的精确方法. 测量结果表明, m值不仅不是常数, 而且其变化规律与所处的变形路径有密切关系, 用相同的测量公式测量不同变形路径下的 m 值, 测得的结果相差悬殊, 在同一变形路径下用不同的测量公式测得的结果也各异. 对于 m 值的测量必须指明所处的变形路径, 并且要用对应的测量公式才能测得正确结果. 此外, 还从理论和实验两方面都解答了为什么恒速变形路径下的 m_v值往往是负值, 而定载荷变形路径下测得的m_P值往往会大于1. 对m值的深入分析和精确测量的探讨, 旨在为超塑性宏观变形的力学规律与微观物理机理的衔接的研究提供条件.     

基于窗技术的多孔介质材料力学性质的数值均匀化方法

相比解析均匀化方法,数值均匀化可以精细模拟表征元模型的受载过程和复杂力学行为,从本质上识别材料的有效力学性质,然而,当模型边界单元存在孔隙时,易使边界不满足线性位移边界条件,导致求解过程收敛较困难.为此,受自洽解析均匀化方法的启发,本文提出了"窗技术"优化方法,即通过增加外围基质"窗体"优化随机表征元网格模型,借助采用的表征元模型重构方法和数值网格离散方式,建立了更易非线性求解的表征元网格模型,基质窗体的性质由自洽方法迭代获得,从而发展了多孔介质材料有效力学性质的数值均匀化方法.在此基础上,探讨了窗体基质宽度和实际有效力学性质的关系;并以砂浆力学性质试验数据为依据,验证了方法的可行性和有效性.结果表明,文中方法可以可靠地模拟多孔介质材料表征元模型的受载响应,获得其有效力学性质.     

用Auricchio&Sacco本构模型分析形状记忆合金的力学性能

为研究形状记忆合金材料的超弹性特征,用AuricchioSacco本构模型对形状记忆合金材料的力学特性进行数值模拟研究。结果表明,升高温度会引起四个相的变应力增高,并造成屈服平台上升;屈服平台部分相的应变增长率随温度升高而降低,但变化幅度却较小;随应变幅值的增大,形状记忆合金的相变应力线性增大,屈服平台部分相的应变量随之增加,形状记忆合金的耗能能力和等效阻尼比也明显增大。     

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.