基于非共轴理论的各向异性砂土应变局部化分析

针对各向异性砂土应变局部化分析中本构模型存在的不足,采用非共轴理论进行改进。传统塑性位势理论采用各向同性假设,导致其模型不能描述非共轴特性和不能较好描述各向异性的不足,为克服传统塑性势理论的局限性,引入非共轴塑性理论建立了砂土的三维非共轴临界状态各向异性本构模型。考虑细观组构张量和应力张量的几何关系,改进模型即可描述主应力轴旋转条件下砂土材料状态的改变,材料状态变化直接导致模型的硬化规律和剪胀性发生变化,从而描述了原生各向异性的影响。非共轴修正后模型可以描述应力诱发各向异性和非共轴特性,结合分叉理论模型可以对不同沉积角度随围压变化的应变局部化特性进行分析。Toyoura砂的单剪试验和平面应变试验验证表明模型改进效果较好。     

三维各向异性砂土UH模型

为了全面地描述砂土在三维空间不同方向上的本构特性,应当综合考虑各向异性和中主应力的影响。该文在砂土UH（统一硬化）模型的基础上,采用各向异性的变换应力方法,发展了三维各向异性砂土UH模型。该方法通过调整不同方向应力分量的相对大小,将各向异性砂土等效为各向同性砂土,并且在变换应力空间将偏平面上的破坏或屈服包线变成圆形。用各向异性的变换应力张量代替真实应力张量,能够方便地得到同时考虑各向异性和中主应力影响的砂土UH模型。与试验数据的对比表明,三维各向异性UH模型能够合理地预测真三轴应力状态下各向异性砂土的应力-应变关系。     

大幅面板材渐进折弯成形的本构建模及模拟

为了提高大幅面板材成形的模拟精度,在板材折弯平面应变假设条件下,推导出基于Hill各向异性屈服准则的弹塑性本构方程.借助ABAQUS有限元软件本构模块用户子程序接口,通过编程将上述推导的应力-应变本构关系显示表达式嵌入ABAQUS分析平台.以超长大开口半椭圆形工件成形为例,建立了大幅面钢板渐进折弯的三维弹塑性有限元模型,并数值模拟了多道次渐进折弯成形及回弹全过程.模拟效果和工程应用结果表明,与传统的基于平面应力假设的本构关系模型相比,采用平面应变假设的本构关系模型的模拟结果更接近实验值.     

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。     

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。     

Glass/Epoxy复合材料叠层板面内剪切连续损伤模型

为确定S2玻璃纤维/环氧树脂(S2-Glass/Epoxy) 叠层复合材料面内剪切应力-应变关系,对S2-Glass/Epoxy 叠层复合材料面内剪切拉伸载荷下的弹、塑性连续损伤本构模型及应用进行了研究。基于平面应力状态下的连续损伤力学模型,通过典型面内剪切拉伸实验,分别建立了忽略塑性应变和考虑塑性应变的两种连续损伤力学(CDM)模型,并确定相关参数。通过ABAQUS/Explicit 用户子程序VUMAT接口,分别采用两种CDM模型对S2-Glass/Epoxy 叠层复合材料面内剪切拉伸实验进行有限元数值计算,与实验结果对比,验证模型可靠性,并分析单元类型对有限元计算结果的影响。研究结果表明: 忽略塑性应变的CDM模型可以很好地预测复合材料面内剪切失效强度,但不能较好地预测其非线性力学响应; 考虑塑性应变,将塑性硬化与损伤耦合后的CDM模型则能较好的预测复合材料非线性力学响应和面内剪切失效强度; 该平面应力状态下建立的CDM模型可用于壳单元进行复合材料有限元数值计算,横向剪切作用导致传统壳单元数值计算的载荷位移曲线略低于平面应力单元计算结果; 减缩积分算法有利于提高有限元数值计算结果的准确性。     

土与结构接触面土体软/硬化本构模型及数值实现

基于土与结构接触面变形特性分析,将接触面土体的剪切滑动面与单元体三维应力状态下的八面体面相对应,通过土的三维弹塑性本构模型在八面体面上的剪切应力-应变关系,建立了接触面土体剪切应力-应变关系;将接触面土体法向压缩变形与侧限压缩条件相对应,通过侧限压缩条件下的荷载变形关系,建立了接触面土体法向应力-应变关系;进一步将接触面土体切向与法向耦合,建立了接触面土体本构模型,模型只有4个材料参数,参数物理意义明确,可由等向压缩试验和常规三轴压缩试验确定。与接触面土体试验结果的对比分析表明,所建立的本构模型可较好地描述接触面土体切向软/硬化特性与法向变形规律。结合有限元软件ABAQUS,编制了FRIC模型子程序,通过模拟土与结构界面剪切滑移过程表明,编制的FRIC子程序可较好地模拟土与结构界面接触的非线性力学行为。     

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。      

基于扰动状态概念的堆石料本构模型研究

堆石料是将天然岩石破碎料或河床沉积砂砾石料经人工颗粒级配而成的一类颗粒性材料,在水电工程中多用于筑建高混凝土面板堆石坝和粘土芯墙堆石坝,是坝体承受水压力的主要载体。该文基于Desai CS对砂性土所建议的扰动状态概念,旨在发展一种能反映堆石料复杂力学行为的弹塑性宏观本构模型。主要工作包括:1)采用临界状态模型描述堆石料的相对完整状态,根据堆石料内部微结构演化特征,在扰动函数中考虑了塑性体积应变影响,反映堆石料压硬性的特征;2)依据堆石料的大型三轴试验资料,建议了本构模型中全部参数的确定方法;3)数值算例的结果与国内某工程堆石料的三轴试验成果进行了验证与比较,结果表明:该文所发展的弹塑性宏观本构模型可以较好地模拟堆石料的非线性、压硬性、剪缩剪胀性和破碎等重要力学特性,并可以刻画复杂应力路径对颗粒材料应力变形的影响与演化过程。     

混凝土断裂的三维旋转裂缝模型研究

作为一种准脆性材料,混凝土在发生开裂后将表现一定的应变软化特性。基于Bazant提出的钝断裂带力学模型,将其扩展为三维旋转裂缝模型,并推导出相应的三维软化本构,应用于复杂应力路径下混凝土开裂扩展的三维数值模拟。通过对比四点剪切梁试验的数值模拟结果与试验结果,验证了该模型能较好地模拟混凝土混合型开裂行为。     

An approximate scheme for considering effects of microcrack interaction on the overall constitutive relation of brittle solids under complex loading

Summary Presented in this paper is a three-dimensional, micromechanical evolutionary damage model enabling the calculation of an overall constitutive relation of microcrack-weakened brittle materials under complex loading. An approximate scheme is proposed to determine the effects of microcrack interaction on the overall constitutive relation under complex loading. All microcracks are assumed to be embedded in an approximate effective medium that is weakened by uniformly distributed microcracks of the same radius depending upon the actual damage state. This elastic moduli of this approximate effective medium can be calculated by the well-established Taylor's model, self-consistent method, differential method, or other effective medium methods. The effective compliance tensor uncluding the influences of microcrack interaction is formulated for brittle solids under arbitrary tensile loading. This approximate method improves the accuracy of the Taylor model by implementing the effects of microcrack interaction in the overall constitutive relation and avoids the cumbersome computation of the self-consistent method in general loading cases.     

中低应变率加载下弱胶结软岩动力学特性

我国西部侏罗系煤层上覆巨厚白垩系富水软岩,为了解此类软岩在冲击荷载作用下的力学本构关系及损伤演化规律,利用Hopkinson压杆装置对干燥、饱和红砂软岩进行中低应变率下的冲击试验,结果表明:红砂软岩峰值应力、峰值应变均表现出明显的应变率效应,其中峰值应力与应变率呈指数关系;相同应变率下,干燥红砂软岩的强度大于饱和状态,对冲击荷载表现出更强的抵抗能力,但饱和红砂软岩的宏观破坏强度大于干燥状态;低应变率加载下,干燥红砂软岩出现负损伤;结合微观机理分析,低应变率下,水对红砂软岩的弱化作用占据主导地位,随着应变率的增大,在惯性效应和水的Stefan效应共同作用下,饱和红砂软岩的动态强度得到强化;基于Z-W-T模型和应变等效原理,建立了服从Weibull分布的损伤本构方程,经验证能很好的反映红砂软岩的动态本构关系,具有一定的工程实际意义。     

沥青砂混合料粘弹塑力学特性研究

在0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa、0.25MPa和0.3MPa下进行了沥青砂试样单轴压缩和蠕变实验,分析了其压缩和蠕变性质,根据变形机理提出了粘弹塑本构模型可由粘弹性和粘塑性的两个子模型串联构成,通过对粘塑性子模型中粘性系数进行改进,理论推导了模型蠕变本构方程,确定了模型参数,并求得模型参数与加载应力函数关系。进行模型预测与实验结果对比,结果表明:该模型能够描述沥青砂试样在不同应力下蠕变变形的3个阶段,反映了沥青砂混合料粘弹塑变形特点。     

堤防地基地震液化的数值模拟

基于Biot动力耦合理论,采用一个经过广泛验证的砂土循环弹塑性本构模型,建立了平面应变条件下土堤地基的地震液化数值模拟方法。以某河流堤防的实际工程为例,应用该方法对土堤地基的地震液化进行了数值模拟,并对地震作用下的超孔隙水压力、加速度、位移等动力反应进行了计算分析,得到了一些对于抗震分析有用的结果。     

饱和砂土基于相变状态的不排水本构模型

饱和砂土基于相变状态的改进本构模型能较好地描述砂土不排水情况下的应力-应变关系。通过改进模型中相变状态参量的计算方法,将e-lgp°表达式加以改进,通过详细的阐述,提出e_pt-lgp的关系式,并通过三轴压缩试验的数据对提出的关系式加以验证。应用新的关系式计算不排水条件下试样的相变孔隙比e_pt,进而计算出模型中的相变状态参量。改进后的不排水本构模型的计算结果与不排水三轴压缩的试验结果能较好地吻合,即验证了本构模型的有效性,也验证了e_pt-lgp关系式的合理性,使原有的边界面本构模型更好地描述不排水的情况下、不同密度和围压状态下饱和砂土的力学行为。     

An experimental study of failure and softening in sand under three-dimensional stress condition

This paper describes an experimental study of failure and softening behaviour in dense Toyoura sand. A true triaxial apparatus equipped with three pairs of rigid loading platens is used to test sand sample under three-dimensional stress condition. The testing results demonstrate that the rigid boundary around the sand samples cannot prevent formation of shear localization. Shear localization are observed to emerge in the hardening or the softening regime in the loading depending on the magnitude of intermediate principal stress. Uniform deformation for the whole strain range is obtained only in triaxial compression tests. The peak stress state obtained from tests of sand samples of the same initial density can be described with good approximation by the Matsuoka–Nakai criterion.     

Geometric effect of angle of repose revisited

We report on a universal pattern observed in the collapse dynamics of a sand heap. Collapse dynamics of a three-dimensional sand heap were studied through experiments and numerical simulations. A phenomenological law that describes the shape of a collapsed sand heap was found, we call this the geometric constitutive law of friction. The law is summarized as the linear relation between the frictional coefficient and the local horizontal curvature.     

基于不可逆内变量热力学的岩石材料粘弹-粘塑性本构方程

岩石材料的粘弹性和粘塑性变形是与时间相关的能量耗散行为。在Rice不可逆内变量热力学框架下,引入两组内变量分别用来描述在粘弹性和粘塑性变形过程中材料的内部结构调整。通过给定比余能的具体形式和内变量的演化方程,推导出内变量粘弹-粘塑性本构方程。粘弹性本构方程具有普遍性,能涵盖Kelvin-Voigt和Poynting-Thomson在内的经典粘弹性模型的本构方程。并指出热力学力与应力呈线性关系是组合元件模型为线性模型的根本原因。粘塑性本构方程能较好地刻画岩石材料在粘塑性变形过程中的硬化现象。对模拟岩石的模型相似材料进行单轴加卸载蠕变试验,将蠕变过程中的粘弹性和粘塑性变形分离并根据试验数据对本构方程的材料参数进行辨识。试验数据和理论曲线对比结果表明该文提出的本构方程能很好地模拟材料的蠕变行为。该类型的本构方程能为岩石工程的长期稳定性的预测、评价以及加固分析提供基础。     

Experimental investigation and numerical modeling of light nonaqueous phase liquid dissolution and transport in a saturated zone of the soil

The present research aims at studying the dissolution and transport process of benzene as a light nonaqueous phase liquid (LNAPL) in saturated porous media. This process is studied under unidirectional flow at different water velocities ranging from 0.90 to 3.60 cm/h in a three-dimensional saturated sand tank (100 cm × 40 cm × 35 cm). This tank represents a laboratory-scale aquifer. The dispersion parameters of the sand tank are based on an independent tracer experiments. The experimental aquifer is simulated by developing a three-dimensional finite element numerical model. This model assumes that the dissolved concentration along the LNAPL-water interface is equal to the solubility concentration. The numerical model results overpredict the experimental within factor 1.6 and 2.29 at depths of 1 cm and 3 cm, respectively, during eight days. The correlation coefficient is ranging from 0.8485 to 0.9986. The time invariant average mass transfer coefficient is determined at each interstitial velocity. The values are ranged from 0.016 to 0.061 cm/h (i.e. increased with velocity toward a limiting value). For a circular benzene pool, two linear relationships are found; the first between the overall Sherwood number (Sh(e)(*)) with average Peclet number in x-direction (Pe(x(e))(*)); and the second between the overall Sherwood number (Sh(e)(*)) with average Peclet number in y-direction (Pe(y(e))(*)).