土的清华弹塑性模型及其发展

 土的清华弹塑性模型具有独特的建模方式。在Drucker假说的基础上,无需其他的附加假设,通过试验资料直接确定塑性势面和塑性势函数,选择适当的硬化参数使屈服函数与塑性势函数一致。通过真三轴试验及平面应变试验,利用该模型的建模方法,在π平面上确定了一种双圆弧的屈服轨迹,从而建立了该模型的三维形式,提出了相应的流动规则表达式;在小浪底堆石料的三轴湿化试验基础上,发现湿化应变作为一种塑性应变与通过该点的屈服面正交,因而只需分别确定干土与饱和土的清华弹塑性模型的参数,同时进行各向等压条件下的湿化试验,测量其湿化体应变,就可以计算出在任意应力状态下浸水湿化的应力应变全过程;与湿化的清华模型相似,进行了不同含水率的土的三轴试验,并进行在干土试样中预加冰屑然后在指定应力状态下使其融化均匀增湿的三轴试验,发现屈服函数不变,硬化参数可以表示为塑性应变和含水率的函数,从而绕过了基质吸力这一变量,建立了非饱和土的清华模型,试验表明它可以合理地预测从干试样增湿到其他含水率的应力应变全过程;密实的永定河砂的试验表明,在相同应力状态下,应变硬化段与应变软化段的塑性应变增量的方向是一致的,将硬化参数表示为塑性功的函数,则可以描述土的应变软化,模型试验结果表明了建立的反映应变软化的清华模型可以合理地计算浅基础的荷载沉降关系;将等向硬化改为旋转硬化,就可以计算砂土在减载和循环加载下的应力应变关系。清华弹塑性模型是一个具有很大发展空间的模型。     

双剪统一弹塑性应变软化本构模型研究

 根据统一强度理论应力不变量的形式,确定所要建立模型的屈服函数以及塑性势函数,考虑土体强度随加载过程的逐渐发挥,确定土体硬化函数。采用非相关联流动法则建立复杂应力状态下的土体弹塑性本构方程,并且对模型中所产生的奇异性进行分析和处理,指出模型中的奇异性是屈服函数、塑性势函数的流动矢量、以及硬化模量所引起的。给出模型中所含参数的确定方法,采用膨胀性泥岩的常规三轴试验模型进行验证,验证结果表明,所建立弹塑性本构模型能够模拟泥岩的应力–应变关系,较好地反映土体的应变软化特性。     

理想塑性岩土的屈服条件与本构关系

本文讨论了理想塑性岩土屈服条件在应力空间和应变空间中的表达形式,以及在子午平面上和π平面上屈服迹线的特点。文中将目前应用较广的十个屈服条件表达成一个统一公式,并通过变换,写出了应变屈服条件的统一表达式。最后,文中还给出了各种应力屈服函数与应变屈服函数的导数值,以求理想塑性岩土的弹塑性矩阵。     

应力-应变曲线初始屈服的一个新定义及其应用

将弹塑性理论中塑性应变路径相关硬化参量的计算和材料初始屈服的概念结合起来,提出一个确定应力-应变曲线初始屈服的新方法.该方法的思想是利用破坏点的确定性给出确定的初始屈服点,其关键是如何计算每条应力-应变曲线的路径相关硬化参量.作为上述新定义的一个应用,选择广义塑性偏剪应变作为塑性应变路径相关的硬化参量,利用一组较高围压下煤岩加卸载应力-应变全曲线数据,确定其初始屈服点,并绘制不同硬化状态的q-p应力与破坏轨迹.分析表明,q-p应力空间中煤岩后继屈服轨迹的斜率呈逐渐递增的非定值性.这是煤岩一个重要的斜率非等值硬化现象,值得深入研究.     

考虑剪胀的线性软化柱形孔扩张问题

从常规试验成果出发，用弹性软化－残余塑性三线性应力应变模型来模拟应力应变软化关系曲线；用三折线来模拟体积应变、小主应变与大主应变的关系曲线。采用双剪统一强度理论的屈服函数形式，推导并给出了柱形孔扩张时，应力场、应变场、位移场和最终扩张压力计算时所需公式和计算求解步骤。最后，通过对某一算例的计算求解，与弹脆塑性模型作了对比，着重分析了不同软化模式对应力场和位移场的影响。     

节理岩体多层弹粘塑性模型的隐式积分算法

本文提出了节理岩体多层弹粘塑性模型的隐式积分算法。对岩石节理组,把节理面上的无拉准则和莫尔-库仑破坏准则作为屈服准则,推导了屈服函数的导数向量(?)和粘塑性应变率的导数矩阵[H]的计算公式,文中并建议了计算节理岩体多层模型时间积分步长的方法。最后用一算例说明了隐式积分算法的应用。     

高周循环荷载作用过程中土体塑性包络的弹塑性累积模型

目前仍没有一个完整的理论框架既能合理描述土体的循环变形,又能适合于高周循环计算与预测,基于Perzyna黏塑性本构模型的理论框架,将一定循环荷载增量内的累积塑性应变增量作为一个封装,提出一个既反映高周循环荷载的特征,又可任意选取积分步长的弹塑性累积模型。采用临界状态土力学的观点,使用累积塑性体应变作为硬化参数并通过幂律的形式来描述塑性应变累积的大小,在硬化准则的描述上,引入反映平均应力影响因式来描述安定性应力水平的硬化过程;另外,在塑性应变累积方向的描述上,采用平均应力状态下修正Cam-clay模型的流动准则。通过模型预测与循环三轴试验结果对比发现,模型在模拟低应力水平下的塑性应变累积行为具有足够的精度,对于高应力水平(尤其当平均应力水平接近或高于临界状态线时)的情况,模型预测与试验结果有一定差距。     

长锚钢筋与混凝土黏结性能的量化分析模型

通过钢筋开槽内贴应变片的黏结滑移梁式试验,研究长锚钢筋屈服前后钢筋的应变及黏结应力分布特征,分析钢筋屈服后发生黏结退化的原因主要是钢筋直径的减小、钢筋的塑性伸长以及接触面的破坏加剧。根据试验结果,构建了在黏结性能中考虑钢筋应变对黏结应力和滑移影响的钢筋应变沿长度方向的分布函数;基于应变分布函数,建立了可量化的长锚钢筋黏结应力-滑移分析模型;基于能量等效原则,提出了钢筋弹性段和屈服段的平均黏结应力的确定方法,以及根据加载端应力和平均黏结应力确定钢筋弹性段的长度。基于此模型,可预测长锚钢筋屈服前弹性段以及屈服后弹性段和塑性段的应变、滑移、黏结应力沿长度方向的分布,并与既有试验结果进行了对比,验证了模型的有效性。该模型可用于罕遇地震作用下混凝土结构的力学性能分析。     

考虑温度影响的岩土材料高阶屈服函数

为了探究温度对土体剪胀特性和屈服面的影响,在临界状态土力学的框架下提出一个新的高阶剪胀方程。该高阶剪胀方程引入2个与温度相关的材料参数,对其进行积分可以得到一个新的高阶屈服函数以描述岩土材料屈服面的几何特性,而剑桥模型和修正剑桥模型的屈服函数可以视为其特例;进一步,考虑温度对土体前期固结应力的影响,可以得到一个新的考虑温度影响的屈服函数。将计算结果与试验结果进行对比分析,结果表明,升高温度会导致土体的塑性剪胀因子逐渐减小,同时土体的温度加载也会逐渐收缩。所给出的高阶剪胀方程及考虑温度影响的屈服函数对于不同温度下土体的剪胀特性和屈服面均有着良好的描述效果,为进一步探究温度对土体力学特性的影响规律和建立相应的弹塑性本构模型提供一个新的思路。     

自然单元法数值积分方案研究

自然单元法采用自然相邻点插值方法在全域构造近似函数和试函数,该方法基于整个求解域内离散节点的Voronoi结构。采用标准Galerkin法形成系统的平衡控制方程时,对弱形式的积分是在Voronoi图的对偶图Delaunay三角形内进行的;但自然单元法形函数其局部支撑域与背景积分域不一致,从而导致了相当的积分误差。单位分解积分方法利用无网格形函数满足单位分解的条件,从而将对弱形式的积分转化到形函数的紧支域内进行;但自然单元法中形函数紧支域的形状和大小由Voronoi结构所限定且形状较为复杂,实现单位分解积分算法需对其形函数紧支域进行分解映射,计算量较大。若在Delaunay三角形内采用基于三角形内平均应变的单点积分方案,利用散度定理可将三角形内平均应变的计算转化为在三角形边界环路上的积分,从而在形成系统矩阵的过程中无需形函数导数的计算,计算量小而精度高。采用单位分解积分方案,其计算精度和收敛性均好于基于平均应变的点积分方案,但综合计算精度和计算效率考虑,则基于平均应变的点积分方案较为理想。     

基于温度历程的高强钢丝应变及应力计算方法

在已有1 770级φp5低松弛预应力钢丝高温力学性能试验研究基础之上,建立了高温下预应力钢丝考虑温度历程的应变及应力计算方法.其中的应变计算方法以钢丝应变变化为研究对象,考虑了钢丝温度变化过程中蠕变、温度膨胀、应力变化及变形模量变化对钢丝应变的影响;应力计算方法以钢丝应力为研究对象,考虑了钢丝温度变化过程中应力松弛、温度膨胀、应变变化及变形模量变化对钢丝应力的影响.通过试验验证了应变及应力计算方法的可行性,结果表明,这两种计算方法可用于预应力结构的抗火性能分析.     

高阶四边形单元的流形方法

在原有的三角形单元的流形方法的基础上，提出了高阶四边形单元的流形方法。该法简化了数学和物理网格，减少了小块物理覆盖的生成数量，采用解析解的单纯形积分，提高了应力和应变的计算精度。首先推导了四边形单元的权函数，并给出四边形单元的高阶位移方程的一般表达式。进一步推导了应变和应力以及单元的刚度矩阵等，最后通过具体实例验证了高阶四边形流形单元的计算应力和应变的准确性。     

长期循环荷载下饱和软黏土安定性模型

鉴于传统显式、隐式模型计算饱和软黏土长期循环荷载下轴向塑性累积应变的不足,在建立饱和软黏土总应力弹塑性模型基础上,考虑软黏土在长期小动应力比循环荷载作用下具有安定性特点,结合过应力模型及安定性理论提出计算饱和软黏土长期循环荷载下轴向塑性累积应变安定性本构模型.安定性模型能合理描述饱和软黏土循环荷载下的变形特性,模型只考...     

Numerical integration of a class of 3d plastic-damage concrete models and condensation of 3d stress–strain relations for use in beam finite elements

This paper presents a method for the integration of a class of plastic-damage material models. The integration of the evolution equations results in a nonlinear problem, which is linearized and solved with the Newton–Raphson method using a sub-stepping strategy. The consistent tangent matrix can be formulated either in terms of the stress components in a general reference system or in terms of the principal stress and strain components with the former then transformed to the general reference system. In order to account for plane stress conditions, the stress–strain relations of the 3d material model are then condensed out. Plane stress conditions are imposed by the linearization of the stresses that need to be set equal to zero; thus the strain fields are updated in the corresponding directions. This solution method is extended to include transverse pressure and the effect of transverse reinforcing steel for a 3d concrete material model. The equilibrium of the stresses in the reinforcing steel and concrete is linearized and the strain fields are updated until the residual satisfies a specified tolerance. The consistent tangent matrix due to the condensation process is derived. The proposed algorithms are tested at the material and element level by comparison of numerical solutions with available experimental data.     

冻土冻胀及其对管道的作用分析

在冻土区敷设长输管道需要考虑冻土冻胀对管道的作用,以防止管道出现过大的应力或应变而危及管道的安全运行。针对冻土冻胀作用对管道的影响提出了分析计算方法,包括冻土冻胀量计算、管道周围温度场计算模型、管道与土壤的相互作用模型以及基于应变的管道失效判据。其中,冻土冻胀量的计算主要基于冻土分凝势和蠕变,温度场模型根据考虑地面环境温度变化和管输介质的温度,管道与土壤的相互作用模型计算差异冻胀情况下管道的应力与应变。计算分析了在温度降低过程中土壤的冻结深度和冻胀位移,以及管道在冻胀作用下的变形,结果表明,冻土差异性冻胀引起管道弯曲变形,其最不安全位置发生在两种土壤的交界处附近。     

基于多源信息集成的地应力场分析研究

在对岩体应力场特征源数据挖掘和特征提取的基础上,结合多源信息集成技术,提出地应力场模拟的多源信息集成研究方法,该方法分为以下递进的3个部分组成：初次岩体应力场特征源数据信息集成→多源信息集成计算→二次集成即监测与反馈信息集成。进行多源信息集成计算时,结合均匀设计及模拟退火–粒子群(SA-PSO)混合优化算法。将该方法用于白鹤滩水电站工程区岩体应力场进行多源数据集成计算,计算结果与测试成果相符,且对勘测过程中的钻孔岩芯饼化现象及探洞开挖过程中出现的片帮现象与计算进行对比分析,从应力量值和方向量方面证明所提出的基于多源信息集成的地应力场分析研究方法是合理及可行的。     

转动裂缝模型在钢筋混凝土构件非线性剪切分析中的应用

基于钢筋混凝土转动裂缝模型,应用平面膜单元对钢筋混凝土构件进行全过程非线性剪切分析。通过选择材料单轴本构、总结复杂的平面应力状态、归纳三种主应变空间下的主应变状态及其刚度矩阵共轭项计算方法,改善平面膜单元在有限元分析中的数值稳定性。选取弯-剪作用下钢筋混凝土梁与压-弯-剪作用下剪力墙试验建立有限元模型进行对比验证,试验实测与有限元分析结果吻合良好。对比结果表明,全面细致地考虑可能出现的各种应力状态,依据三种主应变空间下的主应变状态及其刚度矩阵计算方法,可以得到较好的有限元分析的数值稳定性和精度,基于转动裂缝模型的平面膜单元为压-弯-剪作用下的钢筋混凝土构件的全过程非线性分析提供了有效的分析途径。     

预应力钢筋高温蠕变试验研究及有限元分析应用

通过对高强预应力钢筋进行高温蠕变试验 ,建立了预应力钢筋的高温蠕变和蠕变率力学模型 ,采用该模型对预应力混凝土结构的高温预应力损失及火灾下的结构行为进行了有限元分析 ,通过算例提出预应力钢筋高温蠕变引起的附加预应力损失估算公式。有限元分析表明对火灾下的预应力混凝土结构必须要考虑预应力钢筋的高温蠕变作用。     

Optimization of variables in air conditioning control systems: Applications of simulations integrating CFD analysis and response factor method

The integration of three-dimensional spatial distributions into building simulations is of significant interest, and computational fluid dynamics (CFD) analysis is widely employed in building design processes. For example, based on the experience of architects and engineers, CFD analyses are often conducted under steady boundary conditions to determine the degree of attainment of indoor environments. However, CFD analyses have large calculation costs and cannot be often used for simulations with unsteady boundary conditions such as energy simulations in the building design processes. Thus, we developed a method that calculates sensitivities from heat sources to an arbitrary point in an indoor environment and integrates them into simulations with unsteady boundary conditions. In the proposed method, CFD analysis is employed under steady boundary conditions to calculate the response factors, and the resulting sensitivities are integrated into simulations under unsteady boundary conditions. In the present study, the proposed method was applied to optimize the variables of an air conditioning control system. With our method, temperature changes at a sensor over time are calculated from the time series of air supply temperature. In total, 800 calculations were conducted, and the optimal variables that allow the temperature at the sensor to reach the target value quickly were obtained. Except for the time required to calculate the response factors, the optimization in the present study took only a few seconds. If only CFD analysis was used for the optimization, the calculations would take a year. Thus, calculating the sensitivities via CFD analysis and utilizing the results in simulations is a useful approach for solving optimization problems. Moreover, the proposed method is applicable to simulations that require three-dimensional spatial distributions to enhance the accuracy of the calculation such as energy simulations.     

隧道时程动力反应分析改进算法

在Newmark隐式积分方法的基础上，提出了提高计算效率的改进方法，并指出非线性动力分析中，处理初始静应力场应注意的问题。以某一隧道为例，计算了其在列车动力荷载作用下的反应，并与显式方法进行了比较。计算表明，改进的计算方法，较大地提高了隐式方法的计算效率，且采用无条件稳定的隐式积分方法计算所需要的时间大大小于显式积分方法所需要的时间。对于隧道等地下结构的动力反应分析，宜使用无条件的稳定的隐式时间积分方法求解。