岩石的弹塑性扰动状态本构模型

假定岩石的相对完整状态符合分级单屈服面(HISS)模型并考虑其各向同性硬化,岩石的完全调整状态对应于理想刚塑性,通过定义扰动函数,则岩石应力峰值后的软化行为可用HISS模型叠加扰动进行描述,从而建立基于扰动状态概念理论的岩石弹塑性本构模型.利用RMT-150B对焦作砂岩进行单轴、三轴压缩破坏试验,以确定本构模型中的材料参数.应用建立的弹塑性本构模型,对岩石在单轴应力状态下的力学响应进行了描述.研究结果表明,建立的弹塑性本构模型能描述单轴下岩石的应力-应变全过程.     

弹塑性大变形分析的一种热力学相容的本构模型

以热力学相容的简单机械模型为基础,得到了可以描述材料弹塑性大变形的本构方程,进而导出了可以适用于一般三维问题的增量公式。利用简单加载条件下的积分形式发展了确定材料常数的方法。对圆杆受拉颈缩的大变形弹塑性过程进行了数值模拟,得到了与实验相符的结果。本文发展的模型不采用屈服面的概念,有效地改善了收敛性,提高了计算效率。     

考虑粗粒土应变软化特性和剪胀性的本构模型

在传统细粒土本构模型的基础上进行了改进,建立了一个能较好地描述粗粒土应变软化特性和剪胀性的弹塑性本构模型.该模型采用双屈服面形式,克服了单屈服面模型存在的一些不足,可同时反映剪切变形和压缩变形机理.模型在应变软化特性描述方面,提出了一个利用残余状态应力比和峰值应力比的应变软化公式,较为合理地反映了粗粒土的应变软化现象.在剪胀性描述方面,考虑了状态转换应力比与初始有效围压的相关性.数值模拟结果与试验结果较为接近,表明该模型描述粗粒土在低围压和相对中高围压下的应变软化特性和剪胀性方面具有一定的优越性.     

基于三剪屈服准则的材料弹塑性统一本构方程

为了改进双剪统一强度理论公式的分段表达,克服双剪统一弹塑性本构模型在θ=θb点上的双重滑移角现象,考虑十二面体单元上所有三个主剪应力共同作用的三剪屈服准则建立了材料的弹塑性统一本构方程,该弹塑性统一本构方程适合于服从Tresca屈服准则到Von Mises屈服准则的全部材料.     

岩石软化时效变形的弹黏塑性模型表征

为同时描述岩石应变软化以及时间相依的变形特征,基于超固结土的下负荷面模型,依据相对过应力思路,以Hashiguchi的下负荷面为参考屈服面,建立一种能表征岩石软化时效变形特征的弹黏塑性本构模型。相对于原下负荷面模型,新模型增加了2个能通过不同应变速率三轴压缩试验测定的率敏性参数c0和m',并结合岩石的特点用弹性模量E0和变形模量Ed代替原模型中的回弹指数κ与压缩指数λ。新模型采用以当前应力、黏塑性应变以及黏塑性应变速率为状态变量的动屈服准则函数,给出了基于Newton-Raphson迭代的应力积分算法,且成功地将其嵌入到大型有限元软件ABAQUS中。利用新模型对岩石率敏性三轴试验进行模拟验证,结果表明:预测结果与试验结果吻合良好;模型参数物理意义清晰、简单可测,能正确描述岩石的率敏性及应变软化等特征,可用于复杂边值问题的有限元计算。     

珠三角典型软土硬化土模型及其工程应用研究

硬化土本构模型(HS模型)能有效模拟软土加、卸载以及剪切与压缩硬化特性.基于弹塑性理论推导了HS模型双屈服面弹塑性刚度矩阵,阐述了基于ABAQUS软件分析平台的HS模型二次开发关键算法.利用Fortran编程环境以及ABAQUS软件提供的用户材料UMAT子程序接口,研究开发了HS本构模型子程序.通过标准固结实验、三轴固结排水剪切实验和三轴固结排水加载-卸载-再加载实验获得了珠三角典型淤泥质土与粉质粘土HS模型参数,并以珠三角某地铁车站深基坑开挖工程为例,验证了硬化土模型及其UMAT子程序用于模拟软土地层深基坑力学性态的可行性.     

铅的压缩有限变形本构关系研究

有限变形理论应用于金属塑性成形过程模拟的基础之一是确定材料的本构模型.该文以铅作为试验材料,测定单向压缩有限变形和双向受约束两种情形下的载荷位移曲线,建立了基于欧拉描述的铅有限变形本构方程.由有限变形理论推导出单向压缩和平面应变有限元模型.数值算例给出了载荷位移变化规律.结果表明,欧拉描述有限变形本构方程适合于铅的有限变形压缩规律的描述.     

形状记忆聚合物的宏观力学本构模型

建立有效描述形状记忆聚合物（Shape Memory Polymer,SMP）的热力学行为、且便于工程应用的宏观力学本构模型具有理论和工程意义.在前期研究的基础上,应用固体力学和热黏弹性理论建立了描述复杂应力状态下SMP在实现形状记忆效应热力学过程中,即在高温变形过程、应力冻结过程、低温卸载过程和形状恢复过程中热力学行为的宏观力学三维本构方程.利用DMA实验结果,建立了描述SMP在玻璃体转化过程中,材料参数和温度间关系的材料参数方程.应用所建立的力学本构方程和材料参数方程,数值模拟了SMP的高温变形过程、应力冻结过程、低温卸载过程和形状恢复过程,并分析了加载率和温度变化率对SMP热力学行为的影响.数值模拟结果和与现存SMP力学本构方程和材料参数方程的对比表明,本文建立的由力学本构方程和材料参数方程构成的SMP宏观力学三维本构模型,能有效地描述SMP的热力学行为,可为SMP的工程应用提供理论基础.     

无黏性砂土受载累积变形的弹塑性本构模型

基于经典弹塑性本构模型框架和双硬化模型,选用两种不同屈服面,建立了一种无黏性砂土弹塑性本构模型. 该模型能计算履带车辆行驶工况下,地面无黏性砂土受反复载荷作用下的累积变形;另外针对砂土材料在剪切条件下发生剪胀现象,结合剑桥模型的剪胀公式,模型引入无黏性砂土的剪胀性参数,以描述土壤在剪切力作用下的变形. 研究结果表明,该模型能够反映无黏性砂土在车辆行驶过程中的累积塑性变形,便于计算机仿真分析.      

考虑系数非定常性的成都黏土非线性蠕变本构模型

为了研究成都黏土蠕变规律,展开固结不排水三轴蠕变试验,分析了成都黏土变形的非线性特性及参数的非定常特性。结果表明：当应力小于黏土屈服强度时,蠕变以线性变形为主,包括瞬时弹性变形和黏弹性变形;当应力大于屈服强度时,蠕变以非线性变形为主,包括黏弹塑性变形,具有显著的非线性特性;蠕变过程中,黏土的弹性模量和黏滞系数均为应力和时间的函数,具有显著的非定常特性。结合元件模型理论和分数阶导数模型理论的优点,构建了考虑弹性模量和黏滞系数非定常特性的成都黏土非线性蠕变本构模型,并对模型进行了拟合验证分析,发现蠕变模型对蠕变各阶段的拟合度较高,充分发挥了元件模型和分数阶导数模型的优点,可以很好地反映成都黏土的蠕变全过程。     

准脆性岩石水力耦合不排水多尺度本构模型

以水-力耦合条件下准脆性岩石的损伤行为为研究对象,充分考虑材料的细观特征及其演化规律,结合Mori-Tanaka线性均匀化方法和不可逆热动力学理论建立了在不排水条件下水-力耦合损伤多尺度本构模型。基于小扰动假定,通过水-力耦合分析,推导了不排水常规三轴试验条件下多尺度模型的强度的解析表达式。通过模拟不同围压下砂岩的三轴压缩不排水试验,验证了模型的有效性,并分析了岩石在损伤演化过程中应力应变曲线和孔隙水压力的演化规律。     

基于Weibull统计分布的岩石损伤模型

基于岩石内部裂隙和孔隙分布的随机性,运用连续损伤力学理论,建立了围压与轴压共同作用下岩石的统计损伤模型;结合岩石应力应变曲线的特征参量确定了模型参数,增强了模型的适应性;探讨了岩石损伤的演化性态及其宏观表现,并通过试验对模型进行了验证.结果表明:岩石的宏观力学特性取决于内部微裂纹的细观力学响应,其损伤演化途径反映了岩石变形破坏的全过程;模型理论曲线与试验实测曲线具有较高的吻合度,验证了模型的合理性.     

循环荷载作用下沥青混合料的黏弹塑性损伤本构模型

为较好描述损伤状态下沥青混合料的黏弹塑性应力-应变关系、明确动态循环荷载对其损伤本构关系的影响,利用经典黏弹塑性流变理论,在Burgers黏弹性模型上串联一个黏塑性元件,并根据损伤力学应变等效原理,建立了一个能体现动态循环荷载作用特点及能考虑加载频率影响的沥青混合料黏弹塑性损伤本构模型.同时进行间接拉伸疲劳试验,研究加载频率、环境温度、应力水平、沥青用量及沥青种类对混合料应力-应变关系的影响,并标定模型参数、验证模型的有效性.结果表明:所建模型不仅能较好描述沥青混合料在动态循环荷载作用下的损伤本构关系,还能体现加载频率、环境温度及荷载水平等因素对应力-应变关系的影响;模型参数意义明确、规律性强,值得进一步研究和推广.     

基于三维Hill’48屈服准则的液压成形本构模型及数值验证

基于三维Hill’48屈服准则建立了内高压成形的力学模型,将半隐式向后Euler应力更新算法与显式有限元方法相结合,通过用户自定义子程序UMAT将本构模型嵌入有限元软件LS-DYNA中,通过单个单元的拉伸试验对其进行验证,并将本构模型应用于液压胀形过程的数值仿真模拟,与各向同性Mises屈服准则进行了对比分析.结果表明,二次开发的本构模型正确,能够较好地反映管材胀形的变形规律.     

考虑损伤的含瓦斯煤有效应力方程

 煤层开采和瓦斯抽放引起的煤体损伤演化不仅使煤体力学性质发生改变,而且还影响煤与瓦斯的相互作用。本文基于损伤力学与多孔介质理论,并考虑煤体吸附瓦斯膨胀变形效应,建立了压缩条件下含瓦斯煤体的有效应力方程,得到了与含瓦斯煤体损伤演化相关的孔隙压有效应力系数和吸附有效应力。利用含瓦斯煤体有效应力方程和线弹性本构模型,计算分析了不同应力条件下含瓦斯煤体的变形与有效应力系数演化特征。结果表明,计算值与试验结果一致性较好,可以有效描述含瓦斯煤体的损伤力学行为。     

蚕丝纤维增强聚丙烯复合材料力学性能的试验优化设计

采用Box-Behnken响应面试验设计,对蚕丝纤维增强聚丙烯复合材料压缩成型工艺参数进行了优化.采用无梭织机织布废料作为增强材料,在聚丙烯纤维基质中进行增强处理.对蚕丝纤维增强聚丙烯复合材料的力学性能有关的模压成型的工艺参数(温度(165～185℃)、时间(7～15 min)和压力(35×10~5～45×10~5 Pa)进行了优化.在最佳参数为温度177.5,时间7 min和压力35×10~5 Pa条件下,获得了压缩成型的最佳力学性能.预测模型关于优化后的参数水平具有良好的响应.     

混凝土双向受力下非线性弹性本构关系的分析方法

介绍了基于非线性弹性理论建立的不同本构模型的分析方法,给出并推导了模型中各变量的表达形式,以便描述混凝土在压缩范围内及破坏前的非线性变形,作为建立混凝土本构理论精确数学模型的基础.这些弹性模型必须与定义材料的破坏准则、定义压溃的断裂准则和"应变软化"混凝土在破坏后的应力转换结合起来.     

蟠龙抽水蓄能电站硐室围岩三轴试验及本构模型

利用岩石全自动伺服试验仪对重庆蟠龙抽水蓄能电站硐室围岩的砂岩试样开展了不同围压下的常规三轴压缩试验,进而构建了包含统一硬化/软化函数的弹塑性本构模型并进行了验证。试验结果表明,随着围压的增大,由原生缺陷闭合引起的初始非线性变形阶段逐渐减小,试样破坏时的峰值强度随围压增大而增大,由单轴压缩时的84.8MPa增大到围压10MPa时的168.5MPa;峰值强度和围压之间呈现较好的线性关系,黏聚力和内摩擦角分别为15.2MPa和52°。数值模拟与试验数据的比较表明,提出的弹塑性本构模型能够描述砂岩的主要力学现象,验证了该模型的可靠性。