饱和土体固结3D比例边界有限元法分析

基于饱和土体Biot固结理论,考虑土体体力与表面作用力,结合饱和土体中土骨架动力平衡方程与孔隙流体的连续方程,在计算域内采用Galerkin加权余量法,推导了3D无限、有限域全耦合饱和土体固结的比例边界有限元方程.理论推导表明:与单相弹性土体不同的是,由于孔隙水的存在,饱和土体固结比例边界有限元法方程中不仅有位移、应力矩阵,而且还存在孔隙水压力的影响耦合矩阵;该方程不仅能够满足无限域无穷远边界辐射条件,而且在径向(与饱和土体-结构接触面垂直方向,指向无限远)上具有严格的精确性,环向上(与饱和土体-结构接触面平行方向)具有有限元单元无限收敛的准确性.     

Hashin-Shtrikman弹性模量边界的转换

当孔隙内介质为流体时,用经典的Hashin-Shtrikman弹性模量边界模型估算线弹性各向同性双相孔隙介质整体弹性模量将存在问题.首先基于整体介质与宏观各向同性组分满足的应力和应变组分关系,推导出整体介质弹性矩阵与组分弹性矩阵之间的显式关系,联合其应变关系,定义和分析了对应的两个系数张量,并据此导出了相关场变量位于统一坐标系时整体介质体积模量与剪切模量的关系;然后将经典的Hashin-Shtrikman弹性模量边界模型与上述关系式结合,得到4个新的整体介质弹性模量的估算公式,再与原始的Hashin-Shtrikman弹性模量边界进行了比较,最后针对饱和水纯净砂岩介质进行了试算.结果显示,孔隙介质整体与组分的应力应变、弹性矩阵以及弹性模量之间存在组分加权关系;新的弹性模量表达式计算值在组分弹性模量满足一定条件下位于原始的Hashin-Shtrikman边界内,这在一定程度上弥补了经典Hashin-Shtrikman边界模型对于整体弹性模量特别是孔隙度小于20%时剪切模量估算的不足.     

Hashin-Shtrikman弹性模量边界的转换

当孔隙内介质为流体时,用经典的Hashin-Shtrikman弹性模量边界模型估算线弹性各向同性双相孔隙介质整体弹性模量将存在问题。首先基于整体介质与宏观各向同性组分满足的应力和应变组分关系,推导出整体介质弹性矩阵与组分弹性矩阵之间的显式关系,联合其应变关系,定义和分析了对应的两个系数张量,并据此导出了相关场变量位于统一坐标系时整体介质体积模量与剪切模量的关系;然后将经典的Hashin-Shtrikman弹性模量边界模型与上述关系式结合,得到4个新的整体介质弹性模量的估算公式,再与原始的Hashin-Shtrikman弹性模量边界进行了比较,最后针对饱和水纯净砂岩介质进行了试算。结果显示,孔隙介质整体与组分的应力应变、弹性矩阵以及弹性模量之间存在组分加权关系;新的弹性模量表达式计算值在组分弹性模量满足一定条件下位于原始的Hashin-Shtrikman边界内,这在一定程度上弥补了经典Hashin-Shtrikman边界模型对于整体弹性模量特别是孔隙度小于20%时剪切模量估算的不足。     

基于嵌套思路的饱和孔隙-裂隙介质本构理论

为了指导本构建模工作,需要建立饱和孔隙-裂隙介质的一般本构理论框架.首先,从混合物理论和嵌套思路出发,获得饱和孔隙-裂隙介质的能量平衡方程.其次,根据热力学功共轭特性确定了饱和孔隙-裂隙介质本构方程的应变状态变量和应力状态变量.再次,根据热力学局部平衡假定,获得饱和孔隙-裂隙介质的自由能势函数一般本构方程.最后,从一般自由能势函数本构方程出发,获得孔隙骨架和裂隙骨架变形相互耦合的各向同性线弹性方程.当孔隙骨架和裂隙骨架变形解耦时,该方程能够退化到Khalili线弹性方程.研究表明,在小应变情况下固相应变可分解为裂隙骨架应变、孔隙骨架应变与固相材料体应变之和;当混合物均匀化响应原理成立和流相材料本构模型与单相一致时,裂隙骨架应变、孔隙骨架应变、固相材料体应变、裂隙流相材料体应变和孔隙流相材料体应变分别唯一决定裂隙介质有效应力、孔隙介质有效应力、固相材料真实压力、裂隙孔压和孔隙孔压;当自由能函数是状态变量的二次函数时,可获得线弹性本构模型.     

考虑颗粒破碎影响的土石混合体二元介质理论模型

为研究具有颗粒二相性的土石混合体受力特征,利用破损力学中的二元介质模型理论,基于物理电学中电阻串并联的概念,推导出考虑颗粒破碎影响的土石混合体串-并联混合受力二元介质理论模型,并采用室内三轴压缩试验对该二元介质模型进行了验证.结果表明,在同一应变条件下,串联受力模型计算应力值为下限,平均相对误差最大值为30.44％;并...     

两种有限变形力学理论的分析

为研究经典有限变形理论与和分解有限变形理论在非线性大变形力学分析中的区别与联系,在应力、应变定义的基础上,以大变形典型算例之一的有限转动与伸长为例,分别推导出该算例在这两种力学理论计算下的应力应变结果。计算结果表明：经典变形理论得出的形变张量不是唯一的;经典有限变形力学理论计算下的应力应变值要远大于和分解有限变形力学理论计算下的应力应变值。     

土壤-植物根系复合体弹性模量的理论研究

为探索植物根系与土体间相互作用的特性,基于土力学、复合材料力学的基本理论,分析了土壤-植物根系复合材料的性能,借鉴于矩形模型理论的分析方法,并在该模型基础上作了一些简化和假设,详细推导出了土壤-植物根系复合体的弹性模量的理论计算公式,推导过程中综合考虑了应力、应变同时存在的情况,该求解值能够真实完整地代表实际值,以此来推动土壤-植物根系复合体工程特性的深入研究,为工程绿化、植被护坡、边坡稳定等方面的应用提供理论基础。     

基于复合材料的橡胶颗粒沥青混合料弹性模量预测

为对橡胶颗粒沥青混合料弹性模量进行预估,分别建立单夹杂复合材料两层嵌入式模型和多步骤多相细观力学模型,得到橡胶颗粒沥青混合料弹性模量预测方法,对橡胶颗粒沥青混合料弹性模量进行预测;将弹性模量预测结果与实测结果进行对比分析,研究橡胶颗粒沥青混合料弹性模量影响因素,并对低温条件下弹性衰减进行分析.研究结果表明:该细观力学模型方法是有效的和可靠的,可用于预先评估橡胶颗粒沥青路面在低温下的力学性能和除冰能力;沥青胶浆的弹性模量对橡胶颗粒沥青混合料弹性模量的影响较大,且随沥青胶浆弹性模量的增大而增大;橡胶颗粒用量变化对混合料弹性模量的影响比较大,随着橡胶颗粒用量的增加,混合料弹性模量逐渐减小;在低温下,混合料的弹性模量显著增大,橡胶颗粒沥青路面的除冰效果将大大减弱.     

锂电池电极纳米颗粒和粘结剂在充电放电循环中的应力计算

粘结剂作为锂电池电极制造的重要材料，它的用量虽少，却是极板力学性能的主要承担者。现有的复合电极力学行为模型多将粘结剂层假设为线弹性材料，这很难描述粘结剂层的复杂力学行为，因此为了深入理解极板纳米级颗粒与粘合剂在充放电过程的力学行为，根据已有的实验数据拟合得到拟合精度较高的粘弹性本构模型，采用与锂离子扩散方程形式相似的传热方程求解工具模拟活性硅颗粒在充电放电过程的应力变化，研究结果表明硅颗粒锂化时主要的塑性变形发生在第一个充电放电循环过程中，粘结层的最大应力变化类似纳米颗粒间的应力变化，随着粘结剂厚度的增加，粘结层界面的最大应力会逐渐降低；还有，相近应变下粘弹性性本构模型对于粘结剂PVDF流变行为描述好于线弹性和NeoHookean超弹性模型。     

承压叠层圆柱的弹性分析

基于弹性理论,对轴向压力作用下的、由不同材料于径向方向上叠合而成的叠层圆柱的受力全过程进行力学分析,以研究轴向荷载作用下圆柱任意位置的应力值和应变值.考虑了三向应力的作用,分别求得每一叠层的弹性力学解,然后通过层间变形协调关系,建立了叠层圆柱从内叠层内边界到外叠层外边界间的递推关系,最后通过内外边界条件可对叠层圆柱内任意点的应力和应变进行求解.以3种不同形式的叠层承压圆柱为例,运用上述理论,对其弹性阶段的承载力进行了分析,该理论由于考虑了不同叠层泊松比所引起的叠层间挤压应力的影响,因而理论计算与有限元吻合很好.     

考虑冲压成形历史的轿车前纵梁总成碰撞仿真

以轿车前纵梁总成为对象,将冲压成形引起的板料厚度减薄、残余应力和等效塑性应变映射到碰撞仿真模型中,详细分析这些因素对零件碰撞过程中能量吸收和碰撞力的影响规律,并从兼顾计算精度和计算效率的角度对影响仿真精度的主要因素进行了分析.结果表明:与忽略冲压成形历史的碰撞仿真结果相比,引入冲压成形历史的碰撞仿真所得内能增大,碰撞力峰值增大及峰值出现时间延后;厚度变化对零件的吸能特性影响显著,残余应力和塑性应变对碰撞力的影响显著.     

饱和砂土液化过程中细观组构的模型试验研究

采用室内振动台模型试验对液化过程中饱和砂土颗粒的细观组构进行研究.分析了砂土颗粒在液化破坏过程中颗粒长轴方向、平均配位数、孔隙率的演化规律及其与宏观现象之间的联系.应用表征上述量的组构参数分析了砂土的诱发各向异性,指出在循环荷载的作用下,砂土颗粒不断重新排列定向以适应新的应力状态,导致累积配位数的丧失、孔隙率增大,继而导致液化的发生.研究成果对于揭示砂土变形(液化)的细观机理以及建立砂土的细观力学模型都具有重要意义.     

应力对流体及油气二次运移作用的几种模式

地应力是影响储层流体压力和驱动油气运移的主要动力之一。根据构造力学和流体力学原理,提出了不同类型的储层（孔隙型储层和裂缝型储层）在不同条件下应力对流体作用的几种模型,在此基础上建立起不同类型储层中流体压力变化、油气二次运移及断层张开、封闭与地应力的定量关系。结果表明,在不同类型的储层中,应力对油气表现出不同的作用方式和影响结果。断层的开启与封闭,不仅与构造应力直接相关,而且与断层的走向、倾角、深度、两盘岩性及流体压力直接相关。     

偏心环空中内管壁受非牛顿流体作用力的数值计算

由于聚合物溶液特有的非Newton流变性,聚驱抽油机井产生了诸如泵效下降、抽油杆偏磨等问题.为研究非Newton流体对内管壁的作用力,分别选用变系数二阶流体和幂律流体模型,建立了流体在偏心环空中流动的基本方程,以及内管壁受非牛顿流体作用力的数学模型;通过有限差分法对流动的基本方程进行了数值求解;并以HPAM水溶液为例,计算了内管做轴向匀速运动时受非牛顿流体的作用力;分析了压力梯度、偏心度、内管速度等对内管壁受力的影响.结果表明,内管壁所受流体作用力在x方向的合力Tx主要受法向应力差的影响,而合力的方向则受压力梯度、偏心度、内管速度等的共同影响;z方向的合力Tz与Tx相比在工程上可以忽略.     

应力和应变控制下饱和砂土循环扭剪试验分析

针对某些动荷加载为应变控制的工程问题,如大型工业振动机械的工作平台基础,为研究其动力学性质,利用空心圆柱扭剪仪,分别采用应力和应变控制两种加荷方式,对处于复杂初始应力状态,即不同中主应力系数下的饱和福建标准砂进行小应变循环扭剪试验研究。结果表明,不同加荷方式对土的骨干曲线和剪切模量没有影响;同剪应变幅值时,应变控制下土的阻尼比较应力控制略大;两种控制方式下,试样振动过程中的轴向变形均随着中主应力系数的增大而减小。可见,加荷方式对土的动力特性影响甚微,针对动应变控制的工程问题,在设备有限时可采用应力控制试验模拟代替。     

关于构造变动的“双力源＂假设

地下流体及流体力普遍存在且对构造变动产生影响。分析了地壳构造变动产生的环境、构造应力与流体力的异同性以及地下流体及流体力对多种形式的构造变动（包括地震）的影响。提出了“双力源”构造变动假设,即构造变动幂仅是构造应力作用的结果,而且是构造应力与地下流体力（包括降水等产生的力）共同作用的结果;二者共同作用因方式不同（如大小、方向等）而产生不同的构造变动;在构造变动孕育与产生过程中,构造应力的作用是第一位的,地下流体力则是调制性的,只有那些能与构造应力增强过程产生力学耦合的地下流体力,才能调制与诱发出构造变动异常并促进构造变动。     

上海软土的动力计算模型

将上海饱和软土视为由固相和液相组成的两相饱和多孔介质,根据共振柱试验,动三轴试验,提出一种能够全面考虑应力、应变、振动孔隙水压力,震陷的上海饱和软土等效线性化动力计算模型,并进行了较为详细的参数研究,然后将其与Ｂｉｏｔ动力固结方程相结合,建立了土体有效应力动力计算方法,最后应用该方法对上海土层进行了地震反应分析,并得到一些有益的结论。     

几何相似体应力-应变分布相同时的载荷关系

为了保证几何相似模型与原件具有完全相同的应力-应变分布,必须对几何相似模型施加与实际构件成对应比例的各种载荷,因此需要寻求几何相似模型在应力-应变分布完全相同时各种外加载荷的比例关系。从相似理论入手,以2端固支的矩形梁下表面边线中点的应力解析表达式为基础进行推导,得出相应的理论载荷关系,并用算例在弹塑性状态下验证了所得关系的正确性。得到的结论是:对于2个几何相似构件,若几何相似系数为kl,则当外加集中载荷的载荷系数为kl、均布线载荷的载荷系数为kl、均布面载荷的载荷系数为1时,2构件的应力-应变分布完全相同。     

曲线匝道箱梁桥现浇施工中支架布置形式分析

支架现浇施工在桥梁工程中运用广泛,但在曲线匝道箱梁桥支架现浇施工中仍存在施工难点,导致支架安全事故频发。针对曲线匝道箱梁桥固定支架整体就地浇筑施工过程中支架受力不均匀问题,总结了三种曲线箱梁桥支架布置方式,以不同支架布置方式、不同桥宽、不同曲率的Midas/Civil曲线匝道箱梁桥有限元模型为对象,通过对比分析不同模型计算所得内外两侧支架反力差数据的方式,比较了不同支架布置形式的优缺性,并研究了三种布架方式中轴线平行式布架方式下支架受力的影响因素,在此基础上探讨如何选取合适的支架布置方案以满足支架系统受力要求与施工便捷性要求。结果表明:轴线平行式布架方式在支架受力方面安全性能较高、施工可行性强。轴线平行式布架方式下内外侧支架反力差受桥宽及分段数量影响。提出了轴线平行式布架方式在不同桥宽下的合理分段范围。