Experimental investigation and numerical modeling for elasto-plastic notch-root stress/strain analysis under monotonic loadings

Experimental investigation and numerical modeling on elasto-plastic notch-root stress/strain distributions under monotonic loadings of both the Ni-based directionally solidified (DS) superalloy and Titanium alloy were carried out simultaneously. For measuring inhomogeneous deformation fields at notch roots, an optical-numerical full-field surface deformation measurement system was developed based on the digital image correlation (DIC) method. The obtained strain distributions were then verified with reasonable accuracy by finite element simulation, where an anisotropic elastic-viscoplastic constitutive model was developed for DS superalloy and a simple isotropic stress-strain relationship was adopted for Titanium alloy. Meanwhile, factors affecting elasto-plastic notch-root stress/strain distributions were systematically investigated numerically, where the emphasis was placed on temperature, loading stress rate, sample shape, anisotropy and notch features. The results show that stress/strain behavior at notch root is significantly affected by the mentioned factors, which are concretely embodied in the distribution of tensile stress/strain, equivalent stress and accumulative equivalent plastic strain.     

等主应力比路径下砂土弹塑性本构关系的数值建模

按照数值建模理论,建立了砂土在等主应力比路径下的弹塑性本构模型,给出了塑性体应变和塑性剪应变两组屈服轨迹,模型的建立为工程提供了一个符合土体中实际发生的应力路径的本构方程.同时,通过与常规三轴压缩路径和等p路径(TC)下的应力应变关系曲面和屈服轨迹的对比,发现三者之间存在着显著差别,证实了应力路径对本构关系的影响是不可忽略的.     

沥青混合料粘弹塑性本构关系及大变形有限元分析一般理论

应用Perzyna’s理论和Mises屈服准则建立沥青混合料粘弹塑性本构方程,并扩展到三维方程;应用Newton-Raphson迭代程序的逐步积分方法,获得了小变形粘弹塑性本构理论增量形式和有限元数值方程。基于小变形本构理论,把其应力应变、应力偏量和等效应力分别改用Cauchy应力的Jaumann导数、变形率、应力偏量和等效应力,推导出大变形粘弹塑性增量形式的本构方程和数值方程,建立了沥青混合料粘弹塑性理论体系。     

Assessment of digital image correlation method in determining large scale cemented rockfill strains

A conventional contact method(using linear transducers) and a non-contact method are deployed to measure the axial and lateral deformations of large scale cylindrical cemented rockfill specimens.Experimental works incorporating two pinhole cameras to create one stereovision by digital image correlation shows that the non-contact method is as reliable for testing large cylindrical specimens as measurements done by using linear variable displacement transformer and string potentiometer. Considering this particular large specimen, the experiment resulted in the acceptable mean difference between lateral strain using both methods is 5.1 percent, and 14.5 percent for the axial strain. This occurrence is inevitable due to the heterogeneity of the concrete system and the placement of the monitoring point in digital image correlation method, although the comparison of stress-strain relationship in both methods still indicates a conformity. Based on the results of the present experiments, the authors recommend the noncontact method for a detailed investigation of the material behavior during the uniaxial compressive strength tests. Full field strain measurement enables this digital method to examine local strains near cracks at any point, a very useful tool for studying material deformation behavior.     

基于数码相机的土三轴试样变形的数字图像测量

将数码相机用于土三轴试样变形的图像采集，提出了一种基于数码相机的土三轴试样变形的数字图像测量方法．通过与常规土三轴试验测量结果对比，说明了该方法的可行性和优越性，它不仅可以克服常规三轴试验方法中存在的诸多缺陷，而且具有较高的测量精度，是一种简单、有效且有广阔发展前景的测量方法．     

降雨入渗对浅埋黄土隧道稳定性的影响

为了研究降雨入渗作用下黄土力学性质劣化对浅埋黄土隧道稳定性的影响,对隧道围岩中的黄土进行了不同含水率和不同围压的剪切、等压三轴试验,结果表明,含水率对黄土力学性质和破坏形态有较大影响。根据试验结果建立了黄土不同含水率的塑性本构关系,对比了计算结果和试验结果,证明了该本构关系能较好地描述黄土的应力-应变规律。对不同降雨强度、不同深度的黄土在雨水入渗影响下的含水率分布规律进行分析,并在数值模拟软件中调用建立的不同含水率的黄土塑性本构关系,计算不同降雨强度下隧道结构的受力和变形,结果表明：考虑降雨入渗后隧道结构变形和受力增加明显,其中,拱顶沉降增幅达到46%,隧道初期支护应力增加20%~27%。将浅埋黄土隧道结构变形监测数据与数值模拟结果对比,验证了黄土本构关系的正确性,所模拟的降雨入渗对隧道结构稳定性的影响符合实际工程。     

基于摩尔库仑准则的膨胀土弹塑性本构模型及其数值实现

膨胀土的应力应变关系与含水量的变化有关,通过室内试验对膨胀土的变形、强度以及膨胀参数与含水量之间的关系进行研究,以湿度应力场理论为基础,提出了一个具有工程实用价值的基于摩尔库仑准则的膨胀土弹塑性本构模型。依据FLAC3D数值模拟软件所提供的二次开发程序,给出了该膨胀土弹塑性本构模型二次开发程序过程的基本原理以及模型的程序框图。结合渗流软件计算的湿度场分布,进行膨胀土基坑边坡实例验算,验证了该本构模型的正确性。     

Geomaterial Constitutive Models in Toe-Shooting Method

For toe-shooting method, geomaterial constitutive models concerned are studied. Analysis shows that, although extensively applied in soil mechanics, due to its angular singularity of yielding surface, the Mohr-Coulomb model is not suitable for numerical simulations in large deformation; in this case the rock-fills may be regarded as the Drucker-Prager model and the seaooze as the Prandtl-Reuss model. By comparing experimental data with numerical results, the constitutive model of the seaooze is numerically verified. It shows that, in high strain rate stage forming the blasting crater, the seaooze behaves as ideal non-compressible fluid, while in low strain rate stage during which the reck-fills flow to the blasting crater, the viscosity of the seaooze is negligible.     

砂土弹塑性本构关系的数值建模研究

基于反问题理论的岩土本构关系数值建模方法，对砂土弹塑性本构关系的数值建模进行了研究．根据三轴试验结果，利用神经网络反演法，获得了整个应力场(p，q)的应力应变关系，并进行可视化，绘出应力应变关系的三维曲面及相应的屈服轨迹．特别研究了3种应力路径对应力应变关系和屈服轨迹的影响．不同应力路径下获得的本构关系三维曲面和屈服轨迹直观地反映出应力路径对土本构关系的显著作用．     

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.     

二维完全耦合有限元地震分析程序SUMDES2D

SUMDES2D是二维完全耦合有限元地震分析程序,可用于分析土工结构在多向振动作用下的地震响应.该程序是基于动量守恒和质量守恒两个物理定律,以及分别描述土骨架、孔隙水和渗流等3个本构关系的有效应力分析程序.程序中嵌入了基于与状态相关的剪胀性的临界状态砂土模型.该程序不仅能给出土结构的总体响应,如位移、孔隙压力和加速度等,且能给出土单元局部的应力路径和应力应变关系.介绍了SUMDES2D的理论推导,举例说明该程序在土坡流动液化变形分析中的应用.     

软岩S形应力-应变曲线的数值模拟

针对软岩在荷载作用下的变形特征,结合三轴试验提出了软岩四参数本构方程。从数学理论上严格证明了该方程描述的应力-应变曲线的S形特征。该模型的四个参数中,峰值应力及其相应应变可由试验直接获得,另两个参数则需通过优化反演方法获得。在此基础上建立了四个参数与围压的经验关系式,从而可对不同围压作用下的软岩应力-应变曲线进行估算。数值模拟表明该模型能够有效模拟软岩应力-应变曲线的S形特征,能够反映软岩强度与弹性模量随围压增大的特点。     

粘土数值建模方法与Duncan模型的对比研究

以塑性体应变与塑性剪应变之间的相互作用原理为指导,对粘土本构关系的数值建模方法进行了研究。采用包含应力路径函数的两个本构泛函作为模型基本框架,可以反映出应力路径相关性。应力应变增量关系的表达式包含两个偏导数的交叉项,用于反映塑性体应变与塑性剪应变的相互作用。利用三轴试验结果建立了粘土的弹塑性本构模型,该模型能够反映出土的三大基本力学特性:压硬性、剪胀性和应力路径相关性。通过可视化,分别给出在整个应力场中剪切和体积的三维变形曲面。此外,从模型的理论基础、基本框架和预测结果等方面与Duncan模型进行对比,显示出数值建模方法优于传统方法。     

不同密度粉质粘土K0固结侧向卸荷三轴试验研究

针对侧向卸荷等特殊应力路径下应力应变关系对土体本构模型的影响，利用应力控制式三轴仪，对南京某工程粉质粘土的重塑样进行了K₀固结条件下侧向卸荷三轴固结排水剪试验，研究了侧向卸荷路径下干密度对粉质粘土应力应变及强度特性的影响规律，建立了一个土体因干密度变化引起内摩擦角变化的经验公式，提出了一个侧向卸荷条件下土体破坏时的侧向应变经验公式，并提出了据此公式估计基坑支挡结构的极限位移的方法。     

基于ABAQUS二次开发状态相关砂土本构模型的研究

剪胀性是砂土最重要的特性之一,其变形主要取决砂土的当前状态,而基于状态相关砂土本构模型能较好反映砂土剪胀性。ABAQUS作为有限元计算平台,具有强大的非线性计算和前后处理功能,标准ABAQUS程序仅包含一些通用土体本构模型,缺少状态相关砂土本构模型,因而有必要针对土木工程具体问题进行二次开发。利用二次开发工具和UMAT数据接口程序,采用隐式积分算法将基于状态相关砂土本构模型嵌入到标准ABAQUS程序中,并将有限元数值计算结果与实验数据及理论计算值比较,进行单元敏感性分析。计算结果表明子程序运行稳定可靠,不仅充分利用ABAQUS方便、快捷的前后处理和强大的非线性求解平台,还可以完成更复杂,且切合实际土体应力应变关系的有限元数值计算,拓展ABAQUS在土木工程领域应用能力。     

应力路径对重塑粘土本构关系影响的试验研究

为探讨应力路径对重塑粘土本构关系的影响,进行了增、等、减排水和常规三轴压缩不排水应力路径下的三轴压缩试验,获得了四种应力路径下重塑粘土的应力应变关系,采用数值建模方法通过可视化分别给出了四种应力路径下整个应力场中的剪切和体积三维变形曲面,并给出了四种应力路径下的剪切和体积屈服轨迹。对比这四种应力路径下的变形结果发现,无论在应力范围、应变峰值、应变曲面的形状和体积屈服轨迹的变化趋势上都存在显著差别,然而剪切屈服轨迹相似。这些结果证实了应力路径对粘土本构关系的影响是相当大的和不容忽视的,而有效平均正应力对应力路径相关性的影响是决定性的。     

基坑开挖土体切线模量取值的研究

基坑开挖过程中,土体的应力—应变关系不但具有非线性特点,还受应力路径的影响.今对基坑开挖过程中底部和周边土体这两种不同的卸荷应力路径下的应力应变关系进行了区分研究,并分别推导了其切线弹性模量的表达式,用于基坑工程的数值计算,并和常规加荷算法进行比较,结果表明:用本文建立的模量公式计算出的结果更接近工程实际.     

建立岩土本构模型的数值方法

根据反问题的理论,阐明了建立岩土本构模型属于反问题,提出了建模的四个基本步骤.在试验数据中蕴藏着应力应变关系的信息,直接提炼本构规律是可能的.神经网络是强有力的反演工具,借助于它建立了砂土和粘性土的非线性和弹塑性神经网络模型.研究结果表明,这种数值建模方法具有许多优越性,已成为求解边值问题的主要工具,也必将在建立岩土本构模型中发挥重要作用.     

基于扭转试验的大变形本构关系分析

研究采用实心圆轴扭转试验标定大变形弹塑性本构关系时客观应力导数的影响问题.给出了在实心圆轴扭转试验中,几种常用旋率的具体形式.应用等向强化的J2流动塑性理论,建立了以扭转试验的应力-应变曲线为基准的,分别由Oldroyd、广义Jaumann应力导数和相对于变形率标架旋率的应力导数表述的大变形弹塑性本构关系.所得各本构关系中的塑性刚度函数与由Jaumann客观应力导数给出的塑性刚度函数形式相同,说明用扭转试验标定大变形弹塑性本构关系时,塑性刚度函数不受客观应力导数的影响,本构形式相对稳定.     

数字全息显微术应用于微器件的测量研究

利用数字全息显微测量的方法进行微器件测量,以实现微小形变或者微小位移的测量,继而进行反馈调节,实现实时监测.在学习数字全息的基本理论的基础上,建立无预放大数字全息显微测量系统,对MEMS微器件进行测量.基于菲涅耳近似的再现算法编写了数字全息再现的程序,用频谱滤波的方法对全息图中对图像质量有严重影响的零级项、孪生像进行了有效的抑制,从而使成像质量得到提高,最终获得了其再现三维轮廓,刻槽深度为160nm,栅距为430μm.