红黏土损伤特性及损伤演化规律试验

基于原状红黏土三轴不排水试验,得出桂林红黏土应力－应变关系,分析了原状红黏土结构损伤特性,确定损伤变量Ｄ,并对红黏土的损伤演化规律进行分析,验证其损伤本构关系。研究结果表明：桂林原状红黏土的应力－应变关系曲线表现出理想塑性的特点;不同围区条件下,轴向应变１.３６％处可视作红黏土应变的门槛阈值,对应的应力作为应力门槛阈值;初始弹性模量和割线模量有关的变量Ｄ可作为损伤变量;损伤变量随主应力差的增大而增大,基本呈线性关系,损伤变量与轴向应变基本呈指数函数关系,表明红黏土损伤过程是不可逆的特点;本文提出的损伤本构方程能够较好地拟合红黏土的应力－应变曲线关系,反映不同围压条件下的红黏土结构性损伤变化规律。     

基于细观损伤的岩石受压本构关系模型研究

结合岩石破坏特征,将岩石变形分解为弹性变形和由于微裂缝滑移的塑性变形两部分,由此提出一种细观损伤单元,发展了一类细观损伤物理模型,并从细观层次上解释岩石受压应力-应变关系中的非线性和应变软化现象;基于平衡和变协调条件,建立弹塑性受压本构关系模型,并建议了塑性变形的简化计算方法,利用统计损伤理论和优化算法,确定损伤演化方程,并探讨模型参数与围压的经验关系,进而建立起基于特定围压下的岩石损伤本构关系预测方法.该方法与已有试验结果相比较,结果吻合较好.     

基于应力-应变曲线的混凝土弹塑性损伤本构模型

为了准确地模拟混凝土材料的力学性能,从有效应力的角度出发,基于连续损伤力学基本原理,根据混凝土的应力-应变关系曲线(以改进的Saenz曲线为例),推导出混凝土受压损伤演化方程,建立基于应力-应变曲线的混凝土弹塑性损伤本构模型,并且开发进入ABAQUS中;通过数值模拟与试验结果对比分析,结果表明该本构模型可很好地描述混凝土的塑性变形、刚度退化的力学行为;对钢筋混凝土桥墩的振动台试验进行模拟,结果表明该模型可较好地模拟地震作用下钢筋混凝土桥墩的损伤演化过程,因此该方法建立的混凝土弹塑性损伤本构模型具有工程应用意义.     

考虑岩石应变软化特征的井筒稳定性分析

弹性-应变软化-塑性变形是岩石压缩过程中典型的力学行为,考虑岩石应变软化特征有助于正确评价井筒的稳定性.通过开展岩芯的三轴压缩实验获取岩样的全应力-应变曲线,结合Mohr-Coulumb强度屈服准则对岩石的强度参数进行反演分析和数值验证,获得岩样的强度参数随塑性变形的变化规律.运用FLAC3D有限差分软件建立井眼模型,应用应变软化模型计算了井周塑性区分布,通过与理想弹塑性模型对比,表明考虑岩石应变软化情况下的井周塑性区范围更大,井筒更易发生失稳.研究对于确定钻井液密度安全窗口和指导钻井施工具有指导意义.     

单轴压缩下不同含水状态砂岩损伤演化试验

为了研究不同含水状态岩石损伤演化特性,利用RMT-150C岩石力学试验机、AEwin-USB型声发射信号采集系统和KBD5电磁辐射采集系统,对干燥、自然和饱水状态下的红砂岩进行单轴压缩声电信号监测试验。基于岩石破坏过程中声发射振铃计数、电磁辐射脉冲数和应力变化,建立了砂岩损伤演化模型。结果表明：声发射、电磁辐射信号和损伤变量特征曲线均与岩石应力应变曲线有着较好的一致性;砂岩损伤演化过程可分为初始损伤、损伤持续增长和损伤快速增长三个阶段,随着损伤程度的加深,振铃计数和脉冲数也随之增加;在初始损伤和损伤持续增长阶段中,饱水状态岩样在该阶段的振铃计数和脉冲数占其累计振铃计数和脉冲数的比例最高,自然状态其次,干燥状态最低,而在损伤快速增长阶段则相反。     

影响因子修正的新型岩石损伤统计本构模型

建立能够体现岩石的初始损伤以及损伤部分仍能承受一定应力的新型岩石损伤模型.基于损伤演变过程提出新的损伤定义,将损伤部分分为损伤材料和因材料损伤而变化的微缺陷,提出损伤材料与因材料损伤而变化的微缺陷之间的影响因子γ,给出其确定方法,并研究其基本性质;通过岩石微观受力分析,建立岩石损伤模型;深入探讨岩石有效应力与名义应力的关系,引进岩石微元强度,服从对数正态分布,建立考虑损伤阈值影响的岩石损伤统计本构模型,并提出确定分布参数的方法.结果表明:该模型能够充分反映岩石损伤阈值的影响及应变软化特性,且参数物理意义明确,应用较为方便;与试验结果比较,本文模型理论曲线与试验曲线匹配度达87.2%,高于前人模型曲线的81.3%,说明该模型更为合理、可行.根据本文理论得出的损伤演化曲线符合S型曲线规律,能够很好地反映岩石压缩过程中的变形阶段划分.     

声发射特征在灰岩损伤识别及定量评估中的应用

岩石的损伤演化研究直接关系到我国重大地下工程的安全控制问题,特征应力作为岩石变形破坏过程中的阈值应力,其能否被准确识别将直接影响损伤评价效果。本文利用RMTTS应力测试系统和MISTRAS声发射试验系统,针对灰岩裂缝应力的识别及损伤定量评价问题开展相关研究。通过灰岩单轴压缩下的声发射试验,分析了与应力-应变曲线各阶段对应的声发射信号特征,当裂缝扩展由稳定阶段发展为不稳定阶段时,声发射信号在频率和能级上都有较大幅度提高。基于灰岩单轴循环加载过程中Felicity效应比值FR的变化规律,提出了一种不依赖应变测量的裂缝损伤应力识别方法,对3组灰岩岩芯的识别结果为0.7-0.75σc ,与已有的应力-应变曲线法识别结果0.73σc 对比,验证了该方法的可靠性,Felicity效应识别法保证了求解结果的客观性,其识别范围可由循环加载间的应力增量大小决定。利用基于声发射能量值表征的损伤变量,对灰岩的损伤演化过程进行了定量评价,结果表明：在损伤稳定演化区间内,28.3％的应力范围,损伤累积了17.4％;而在裂缝损伤应力之后的损伤加剧演化区间内,26.1％的应力范围内,损伤累积了80％。本文的研究成果可为深入认识工程领域中岩石的损伤演化机制提供技术支持。     

基于能量特征的脆性岩土材料广义拉伸损伤模型

损伤变量及其演化方程是损伤本构理论研究的核心问题,当前岩土材料的损伤演化方程多是通过经验假定或试验拟合的方法得到的,缺少必要的理论依据。本研究定义损伤变量为材料受荷变形过程中的能量耗散量与破坏时的临界能量耗散量之比,结合Lemaitre应变等价性假设,从材料损伤过程中的能量平衡原理出发,推导了具有理论依据的损伤演化方程表达式,从而建立了适用于脆性岩土材料的广义拉伸损伤本构模型。通过试验和数值计算结果对比表明模型能够较好的反映单轴拉伸过程中的应力应变关系和应力跌落现象。对不同加载条件下的应力应变关系计算表明:广义拉伸状态下,脆性岩土材料的抗拉强度随侧向压应力的增大而减小,随侧向拉应力的增大而先增加后减小。     

考虑非贯通节理损伤演化岩体复合本构模型

非贯通节理岩体的力学特征与完整岩石相比有较大差异.为推导非贯通节理岩体在单轴压缩下的复合损伤本构模型,采用修正自洽方法考虑不同损伤变量之间的复合.从附加应变能增量和损伤应变能释放量相关联的思路出发,采用等效直线裂纹作为节理裂隙损伤演化轨迹,分别计算细观损伤、初始节理和节理裂隙损伤演化引起的附加应变能;基于Betti能量互易定理,引入自洽方法考虑节理裂隙之间的相互作用,并采用逐条添加节理的方法对传统自洽方法进行修正,得出岩体不同受力阶段细观、初始节理和节理裂隙损伤演化的复合损伤本构模型;将本构模型的理论计算结果与现有文献的室内试验结果进行对比分析,结果显示:本构模型的理论计算结果与室内试验结果规律一致,随着节理个数增加,初始弹性模量和荷载峰值均呈下降趋势,下降幅度较为一致;节理裂隙的损伤演化对岩体的力学特性有重要影响,考虑节理裂隙损伤演化的理论应力应变曲线和荷载峰值与室内试验结果更为吻合,有效验证了复合损伤本构模型的正确性与合理性.     

一种考虑损伤的胶凝原油启动初始应力-应变模型

引入损伤变量（因子）,结合胶凝原油恒剪切速率启动过程的应力－应变特性,建立了考虑损伤的力学本构模型,经实验验证,新本构方程可很好地描述胶凝原油启动初始破坏过程的应力－应变关系。利用获得的本构方程参数,作出了相应条件下的损伤演化曲线,与应力－应变曲线结合分析发现,启动温度对胶凝原油结构损伤破坏过程影响最小,其不同条件下的损伤演化曲线基本重合;而启动剪切速率和静态降温幅度对损伤演化过程的影响相对较大,且随其值的增大,损伤演化过程表现出加速特性。     

材料大塑性变形损伤研究

综述了材料大塑性变形损伤的主要研究方法：基于位错的连续介质位错理论和分子动力学方法,基于宏细观损伤变量的损伤力学方法和基于裂纹及考虑损伤的断裂力学方法．评述了各尺度研究方法的研究概况、特点及其适用范围．重点介绍了材料变形过程损伤的模拟方法,以及运用有限元法进行损伤演化数值模拟的经验公式、统计模型和基于宏细观损伤变量的物理模型．     

饱和岩石各向异性弹塑性损伤模拟

自然界岩石是各向异性的,其破坏性也是非均匀的,岩石各向异性力学特性研究非常必要.提出了一种弹塑性破坏模型,该模型可以描述弹性变性、损伤不可逆变形和塑性变形,以二阶张量来描述损伤的扩展,损伤演化相关于微裂纹扩展标准.并以应变自由能获得有效弹性刚度矩阵,推导出了损伤参数限制范围,提出了以室内试验决定损伤参数的相应表达式.模拟了不同加载路径情况下的岩石力学行为,数值结果和试验结果较为一致.该模型被推广应用于不同加载路径的岩石水力学行为的模拟之中,数值结果显示该模型能模拟岩石孔隙水力学基本特征.     

循环荷载下考虑滞回效应的混凝土损伤模型

针对高混凝土坝地震过程中复杂的材料非线性问题,建立循环荷载下考虑滞回效应的混凝土损伤模型。模型分别选取符合混凝土实际变形特性的拉伸与压缩骨架线以考虑材料拉压异性,骨架线中含有软化段系数以适应试验结果的离散性。采用不依赖于骨架线形状的滞回效应加卸载特征点表达式,搭建能够反映混凝土循环荷载作用下软化段滞回效应的卸载路径与重新加载路径,并建议设立残余应变临界值解决残余塑性应变与卸载应变比值随应变增长的持续发散问题。模型将复杂多轴问题转化至单轴等效应变空间中求解,计算参数少,数学表达式简单,并通过混凝土循环荷载试验与Koyna重力坝的震害模拟验证了模型在非线性问题求解上的正确性与高效性。     

地震作用下框架整体与局部损伤的相关性

根据框架结构耗散塑性变形能与存储弹性变形能能力的损失界定结构的整体损伤,根据塑性铰耗散塑性变形能能力的损失来界定局部损伤,并以拟力法为基础推导了局部损伤与整体损伤的解析表达式,进而讨论框架结构局部损伤与整体损伤的相关性。研究表明,控制框架结构整体损伤的手段有：减小局部损伤区域的强度衰减、提高局部损伤区域的极限转动能力和减小局部损伤区域的残余变形。其机理是通过提高局部损伤区域的耗能能力与约束能力来提高整个结构耗散与存储地震能量的能力;框架结构整体损伤与局部损伤的加权值较为接近,可以采用框架局部损伤的加权值来近似估计结构的整体损伤值。     

Numerical simulation of strain localization and damage evolution in large plastic deformation using mixed finite element method

An investigation of computer simulation is presented to analyze the effects of strain localization and damage evolution in large plastic deformation. The simulation is carried out by using an elastic-plastic-damage coupling finite element program that is developed based on the concept of mixed interpolation of displacement/pressure. This program has been incorporated into a damage mechanics model as well as the corresponding damage criterion. To illustrate the performance of the proposed approach, a typical strain localization problem has been simulated. The results show that the proposed approach is of good capability to capture strain localization and predict the damage evolution.     

焊缝金属损伤演化规律的试验测定

在焊接过程中，焊缝内部会产生各种微观缺陷．为了模拟这些缺陷的发展对结构性能的影响，需要知道焊缝金属的损伤演化规律．基于各向同性弹塑性损伤假定和应变等效假设，采用重复拉伸的试验方法，得到了焊缝金属的损伤演化规律．试验结果表明，焊缝金属具有比较好的塑性变形能力，焊缝的损伤值与材料的累积塑性应变呈线性关系．     

Adiabatic shear localization evolution for steel based on the Johnson-Cook model and gradient-dependent plasticity

Gradient-dependent plasticity is introduced into the phenomenological Johnson-Cook model to study the effects of strainhardening, strain rate sensitivity, thermal-softening, and microstructure. The microstructural effect （interactions and interplay among microstructures） due to heterogeneity of texture plays an important role in the process of development or evolution of an adiabatic shear band with a certain thickness depending on the grain diameter. The distributed plastic shear strain and deformation in the shear band are derived and depend on the critical plastic shear strain corresponding to the peak flow shear stress, the coordinate or position, the internal length parameter, and the average plastic shear strain or the flow shear stress. The critical plastic shear strain, the distributed plastic shear strain, and deformation in the shear band are numerically predicted for a kind of steel deformed at a constant shear strain rate. Beyond the peak shear stress, the local plastic shear strain in the shear band is highly nonuniform and the local plastic shear deformation in the band is highly nonlinear. Shear localization is more apparent with the increase of the average plastic shear strain. The calculated distributions of the local plastic shear strain and deformation agree with the previous numerical and experimental results.     

AZ31B镁合金和6065铝合金动态压缩行为数值模拟

为了研究帽状试样AZ31B镁合金和6065铝合金在动态压缩变形过程中的温度、应力与应变演变规律,采用Johnson-Cook本构方程和累积塑性损伤方程进行了数值模拟,运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA模拟了AZ31B镁合金和6065铝合金帽状试样的动态变形过程.结果表明,两种合金的裂纹萌生和扩展过程相似,局域化变形带内塑性应变由内向外对称分布.相比于AZ31B镁合金,6065铝合金的塑性应变影响区域更为狭小,其应变和应变率硬化效果更强.6065铝合金的变形温度能够达到其动态再结晶临界点,因而易于绝热剪切带的形成.     

砂土弹塑性-损伤本构关系的数值建模

认为岩土介质变形中出现的剪胀现象实质上是一个损伤过程.通过中密砂的三轴压缩试验,发现其在剪胀后,弹性模量和剪切模量大幅度下降,这进一步证实了剪胀的确是个损伤演化过程.引进了一个损伤变量描述这个过程,结果表明,损伤程度相对塑性体积应变的变化速率与初始固结压力相关,且随压力增大而减小.同时利用数值建模方法建立了砂土的弹塑性-损伤模型,考虑了弹塑性变形与损伤的耦合效应,获得了相应的应力应变关系及它的三维曲面.     

多孔沥青混合料粘弹塑性损伤模型

为合理描述多孔沥青混合料在中低温度外界荷载作用下的力学特性,基于增量型本构方程,采用Weibull损伤函数、广义Maxwell粘弹模型与D-P塑性模型,构建了粘弹塑性损伤模型．以此模型为分析手段,对不同温度和加载速率下的单轴压缩应力-应变曲线进行拟合,并分析温度与加载速率对模型参数的影响规律．分析结果表明:多孔沥青混合料粘弹参数随着温度的降低逐步退化成弹性参数,塑性模型中的体积模量和剪切模量也随温度呈现出明显的粘弹特性,塑性应变产生时对应的应变值与损伤应变阙值基本保持一致,温度及加载速率对于混合料的损伤扩展也有显著影响．构建的理论模型可以有效表征多孔沥青混合料在常温和低温下受荷时的力学损伤特性．