土与结构物接触面数值模拟

土与结构物接触面剪切试验表明，剪切破坏时接触面附近产生应变局部化，形成剪切带，并伴有应变软化和剪胀现象。为了反映剪切带的应力应变特征，准确模拟土与结构的相互作用，提出了接触面损伤本构模型，推导了接触面单元的有限元格式，应用于有限元数值模拟，得到了合理的结果。     

土与结构接触面弹塑性损伤模型用于单桩与地基相互作用分析

基于粗粒土与结构接触面弹塑性损伤静动力统一模型(称作EPDI模型)建立了可用于有限元分析的弹塑性损伤接触面单元。对接触面试验进行了模拟,采用不同的接触面本构模型及参数对单调和循环荷载作用下的单桩基础的侧摩阻力和桩顶位移进行了有限元分析。结果表明:包括剪应力应变关系和剪胀特性在内的接触面力学特性对桩土相互作用分析有重要影响,需要合理地加以描述。基于试验结果建立的弹塑性损伤接触面单元能够有效地用于土体与结构物相互作用分析,并能够合理地反映土与结构接触面的包括体应变及其与剪应变耦合特性在内的接触面主要静动力学特性。     

初始静剪应力下土与结构接触面静力特性研究

运用80t三维多功能土工试验机对粗粒土与结构接触面在一定初始静剪应力下的三维单调力学特性进行了试验研究。结果表明:接触面在不同剪切方向下均先剪缩后剪胀,剪胀主要在加载后期接触面接近和达到抗剪强度、切向位移较大时产生;接触面切向变形存在非共轴现象,切向位移增量方向随剪切的进行与切向应力逐渐靠近;切向位移间关系基本为直线,且其与初始静剪应力间的夹角和剪切方向角存在良好的数学关系;接触面抗剪强度包线基本为圆形,呈各向同性;剪切方向对接触面剪缩量、体变与切向位移关系、体变与切向应力关系及切向应力-应变关系有较大影响。     

节理岩体非线性本构模型的研究

基于节理岩体变形的非线性特征,针对在节理剪切过程中微凸体的磨损与破碎而导致的应力下降,提出了考虑峰后软化的切向变形本构模型,将传统的双曲线剪切应力-切向位移关系采用具有驼峰的软化型曲线。对节理岩体法向与切向耦合的剪胀关系,建立了一种新的非线性曲线,修正了以往的线性行为。所得计算结果与试验曲线的比较中,具有很好的吻合性。     

橡胶隔振器静态力-位移关系计算方法的研究

测试了橡胶试片在单轴向拉伸、等双轴拉伸和平面剪切应力-应变状态下的应力-应变关系。利用测试得到橡胶试片在不同状态下应力-应变关系,和应用不同的本构模型,拟合得到了不同模型的材料常数。以两个橡胶悬置为研究对象,对橡胶隔振器进行三向静态力-位移特性分析,并与测试值进行对比。橡胶悬置1主要承受拉压变形或剪切变形,而悬置2则同时承受拉压和剪切变形。以悬置1和悬置2为研究对象,应用Mooney-Rivlin本构模型,计算分析了利用不同应力－应变状态得到的本构模型常数对橡胶隔振器力－位移关系计算结果的影响。以悬置2为研究对象,采用同一种应力－应变状态获取的本构模型常数,分析了本构模型对橡胶隔振器静态力-位移特性计算结果的影响。     

朱-王-唐非线性粘弹性本构模型在有限元分析中的实现及其应用

LS-DYNA可以满足用户对某些材料本构关系子程序开发的要求.本文首先编制了各向同性线弹性材料本构模型子程序,计算单轴拉伸作用,得到材料子程序开发的可行性;另外主要编制了飞机风挡材料采用的具有应变率效应的非线性粘弹性朱-王-唐本构模型,结果能很好地对朱-王-唐模型进行描述,特别是应变率对该模型的影响.并用于真实风挡的计算,得到的数值结果与试验值比较吻合.     

轴向受压CFRP管混凝土柱的膨胀模型及应力-应变关系

在实验基础上, 建立了CFRP 管混凝土柱的轴向压缩膨胀模型。利用膨胀模型计算的紧箍力变化规律和主动侧限混凝土柱的轴向压缩本构模型, 结合多轴应力下的混凝土破坏准则, 推导出被动侧限混凝土柱轴向压缩应力-应变关系理论表达式。根据各组份材料性能、含量、轴向压缩荷载作用下各组份的应力状态及变形协调条件, 建立了CFRP 管混凝土柱轴向压缩本构关系。实验结果证明, 理论预测结果与实验值吻合良好。      

2.5D C/SiC复合材料连续损伤本构模型

基于连续损伤力学建立了一种包含拉伸与剪切损伤变量的2.5D C/SiC复合材料连续损伤本构模型。分别开展了拉伸和剪切试验,获得应力-应变曲线,并通过拟合试验曲线获得各损伤变量的演化参数。采用子程序技术将本构模型嵌入商用有限元软件ANSYS,应用有限元法计算了材料的应力-应变曲线。考虑了拉剪损伤耦合效应,计算了偏轴拉伸情况下的应力-应变曲线。结果表明:沿经纱拉伸、沿纬纱拉伸以及面内剪切的应力-应变曲线与试验结果吻合,最大偏差依次为4.30%、3.09%及3.73%;偏轴拉伸计算与试验应力-应变曲线也吻合较好。      

HISS模型在ABAQUS中的三维实现、验证和应用

分级单屈服面(HISS)模型的屈服面是单一光滑的函数,解决了“帽子”模型存在的数学不完备问题。该文介绍了HISS模型中非关联流动法则各向同性硬化的模型及其主要参数对屈服面的影响,使用MATLAB对一个高斯积分点进行加载试验,观测了在加载过程中应力路径及屈服面的变化;基于ABAQUS有限元程序提供的二次开发平台,首次编写了土体HISS模型的三维用户材料子程序。使用ABAQUS外接该文开发的用户子程序模拟了Leighton Buzzard砂土的4种三轴试验算例(静水压试验、常规三轴压缩试验、三轴压缩试验和三轴拉伸试验),并将计算得到的应力-应变关系和体积变化与实验观测结果对比,模型计算的结果与实验结果符合较好,验证了HISS模型用于砂土性质描述的适用性,并将模型用于分析分层路基的平板载荷试验。HISS模型三维子程序的实现为ABAQUS分析三维土体弹塑性问题提供了一种新的本构关系。     

结构性软黏土的修正剑桥模型

天然软黏土普遍受到土结构性的影响,如何在土体本构模型中反映这一影响显得非常重要。该文从修正剑桥模型出发,引入结构屈服应力参数表征受土结构性影响的天然土初始屈服面的形状;引入各向异性参数描述天然土体初始各向异性引起的屈服面旋转。基于土结构性突变屈服破坏机理,屈服前结构性软黏土呈现弹性的力学性质,屈服后土结构性的影响完全丧失,采用同修正剑桥模型一致的硬化规律和流动法则。根据一致性连续条件,推导增量型的应力-应变关系,建立适用于结构性软黏土的弹塑性本构模型。选取国外已有的天然沉积Bothkennar软黏土,对比典型应力路径下的试验实测结果与模型计算结果,显示了该文模型模拟结构性软黏土受力变形特性的优越性。     

基于扰动变量的非饱和原状土本构模型

该文根据复合材料均匀化理论的思想建立了考虑水的滞后性与应力-应变特性相祸合的非饱和原状土本构模型。复合材料均匀化理论的主要思想是将变形的岩土材料视为由相对完整状态土（RISP）和完全调整状态土（FASP）混合而成的复合材料，RISP和FASP的力学性能分别与原状土和重塑土的力学性能相同。另外，在土体的变形过程中，RIS...     

Micromechanical Analysis of Interphase Damage for Fiber Reinforced Composite Laminates

In the present study, the initiation and evolution of the interphase damage and their influences on the global stress-strain relation of composite laminates are predicted by finite element analysis on a micromechanical unit cell model. A thin layer of interphase elements is introduced and its stress-strain relation is derived based on a cohesive law which describes both normal and tangential separations at the interface between the fiber and matrix. In addition, a viscous term is added to the cohesive law to overcome the convergence difficulty induced by the so-called snap-back instability in the numerical analysis. The matrix behavior is described by a recently developed nonlinear viscoelastic constitutive model. As application examples, glass fiber/epoxy unidirectional laminates under off-axis loadings are analyzed. One-quarter of the unit cell is used in the analysis accounting for the geometrical symmetry of the model, and the corresponding periodic boundary conditions for combined global shear and normal loading are derived. Results show that the initiation and evolution of the interphase damage can be well simulated and the predicted global stress-strain responses are in good agreement with the experimental results.     

随机多孔碳纤维纸的非线性面外压缩本构模型

多孔碳纤维纸由随机分布的碳纤维构成,常用于燃料电池、发热材料等先进结构,其主要服役状态为面外压缩。碳纤维纸的压缩应变对其力学、热学、电学性能均有显著影响,因此迫切需要揭示其面外压缩本构关系。该文针对碳纤维纸微结构随机多孔的特点,提出了2种非线性面外压缩本构模型,分别是考虑赫兹接触影响的对数型模型和考虑孔隙率和单胞尺寸的幂函数型模型。基于3种商品化碳纤维纸的应力-应变实验数据,将该文提出的两种模型与传统的线性模型进行分析对比,并讨论了有、无额外有机物对碳纤维纸力学性能的影响。结果表明：碳纤维纸中的额外有机物对其应力-应变关系有比较明显的影响,全面考虑接触变形、弯曲变形与孔隙率变化的对数型本构模型具有较好的鲁棒性,适用范围较广;幂函数型本构模型能够较准确地预测有机物含量较低的碳纤维纸的应力-应变关系;传统的线性本构模型对各种碳纤维纸的预测均有较大的误差,该文提出的两种非线性本构模型对碳纤维纸具有较好的适用性,可以反映碳纤维纸的非线性应力-应变关系。     

杨木静动态压缩本构模型研究

目的 以杨木为研究对象,研究其静动态压缩载荷作用下应力-应变曲线的变化特征,建立适合的本构模型,并对其进行描述。方法 对杨木试件进行静动态压缩加载试验,分析静动态压缩载荷作用下杨木应力-应变曲线的变化特征,构建适用于静动态压缩载荷作用下杨木的本构模型。结果 静态压缩加载杨木的应力-应变曲线分为线弹性阶段、屈服阶段和密实化阶段等3个部分,动态压缩加载杨木的应力-应变曲线分为线弹性阶段和屈服阶段等2个部分;静态压缩加载时,杨木轴向屈服应力最大,分别是径向和弦向的5.70倍和7.75倍;动态压缩加载时,当应变率从400 s-1增加到1000 s-1时,径向、弦向和轴向的屈服应力分别增加了1.51,1.59,3.12倍,杨木的屈服应力具有应变率敏感性;采用包含应变率影响的本构方程来描述杨木在静动态压缩载荷作用下的本构关系是比较合适的。结论 杨木是一种应变率敏感材料,静动态压缩载荷作用下杨木的应力-应变曲线均表现出多孔材料的特征,将多孔材料本构模型应用于木材是可行的。     

Meso-Scale Damage Simulation of 3D Braided Composites under Quasi-Static Axial Tension

The microstructure of 3D braided composites is composed of three phases: braiding yarn, matrix and interface. In this paper, a representative unit-cell (RUC) model including these three phases is established. Coupling with the periodical boundary condition, the damage behavior of 3D braided composites under quasi-static axial tension is simulated by using finite element method based on this RUC model. An anisotropic damage model based on Murakami damage theory is proposed to predict the damage evolution of yarns and matrix; a damage-friction combination interface constitutive model is adopted to predict the interface debonding behavior. A user material subroutine (VUMAT) involving these damage models is developed and implemented in the finite element software ABAQUS/Explicit. The whole process of damage evolution of 3D braided composites under quasi-static axial tension with typical braiding angles is simulated, and the damage mechanisms are revealed in detail in the simulation process. The tensile strength properties of the braided composites are predicted from the calculated stress-strain curves. Numerical results agree with the available experiment data and thus validates the proposed damage analysis model. The effects of certain material parameters on the predicted stress-strain responses are also discussed by numerical parameter study.     

Modelling of stress-strain behaviour of plain concrete using a plasticity framework

A constitutive model based on the theory of plasticity is proposed to characterize the stress-strain behaviour of plain concrete under three-dimensional loading. The model incorporates the third stress invariant in the formulation that allows variation of shear strength with the orientation of stress paths on the octahedral plane. Also, it allows variation of the shape of the yield surface on the octahedral plane with confining pressure. An algorithm is developed and used to evaluate the associated material constants in the optimum manner. Stress-strain responses are back-predicted for a number of stress paths using the proposed model and the results are compared with experimental observations. Overall, good agreement between the experimental data and predicted response is obtained.     

砂土统一本构模型研究及其三维数值实现

基于广义塑性理论与临界状态概念,研究提出了一个统一三维砂土本构模型,通过一组参数实现了砂土由压缩至剪切过程中状态参量的统一表述。基于ABAQUS提供的用户自定义材料子程序UMAT接口,利用Fortran语言编程实现了该三维弹塑性本构关系模型在软件中的二次开发。分别利用Toyoura砂、Fuji River砂以及Tokachi砂的剪切试验数据与数值模拟结果进行对比,结果表明:提出的有限元计算模型可以有效反映加载过程中不同围压和砂土初始密度对应力-应变曲线的影响,能够准确描述密砂的剪胀特性与应变软化特性以及松砂的剪缩特性与应变硬化特性,从而更加真实地反映三维应力状态下土的变形和强度特性。研究成果进一步扩展了ABAQUS在岩土工程中的应用范围,能够为岩土工程领域的数值分析计算提供更加快捷的解决方案。     

高强钢TRB高温下热流变特性

为了准确仿真高强钢板热冲压成形过程,获得高强钢高温下的材料本构关系模型,利用Gleeble3500热模拟试验机在不同温度和应变速率下对不同厚度的高强钢B1500HS钢板进行了单向拉伸试验,获得各种工艺条件下的应力-应变曲线,并基于变形抗力数学模型,引入板材厚度参数,通过最小二乘法进行数据拟合获得高强钢TRB高温下的材料本构关系.利用试验结果对本构关系模型进行的拟合验证表明,拟合程度较好,说明建立的材料本构关系能很好地描述高强钢TRB在高温下的应力-应变关系.