混凝土单轴滞回本构模型及ABAQUS二次开发

本文将建立的混凝土单轴滞回本构模型通过用户材料子程序UMAT在ABAQUS中二次开发。数值算法采用增量算法,即根据前一步结束时材料的应力、应变推导当前步结束时的应力、应变。采用状态变量标示应力状态在滞回曲线上的位置,给出假设应力状态下一个增量步的详细求解过程,其他应力状态可采用类似的方法求解。最后通过几个算例证表明开发模型及本文提出数值算法是准确有效的;开发本构模型能较为准确地反映不同截面形式构件箍筋约束作用对混凝土强度的提高效应,适合在实际工程中应用。     

混凝土弹塑性本构实用模型研究

在深入研究了混凝土弹塑性本构理论基础上,提出了一个混凝土弹塑性本构模型,将Mande模型骨架曲线做一定的改进作为模型的等效单轴应力—应变曲线,加载硬化阶段采用应力空间弹塑性模型,软化阶段采用应变空间弹塑性模型,推导了应变空间下硬化参数的计算公式。模型屈服面采用黄克智—张远高三参数破坏准则,并推导了屈服面三个参数与混凝土强度之间的关系,为屈服面参数的确定提出了一种实用方法。将本文提出的模型在ABAQUS中二次开发,数值算法采用图形返回算法,通过几个算例表明本文提出的模型具有较高的计算准确度。     

基于ABAQUS的弹塑性本构关系模型开发

根据塑性力学基本公式的谱分解形式,采用回映算法编制用户材料子程序,数值计算结果表明算法有效。     

基于扰动应力场模型的ABAQUS二次开发及其与塑性损伤模型的比较

扰动应力场模型（DSFM）由于考虑了裂缝间的剪切滑移效应,融合了转动裂缝模型和固定裂缝模型的思想,可以更真实地模拟钢筋混凝土构件的受剪性能。通过大型通用有限元软件ABAQUS的二次开发接口,开发了基于DSFM模型思想的用户子程序UMAT,重点介绍将剪切滑移应变从总应变中分离出来的算法,并给出能够适应UMAT开发要求的编程方法和流程。利用所开发的UMAT子程序和ABAQUS内置的塑性损伤（CDP）模型对多伦多大学完成的多块钢筋混凝土平板试验进行分析。结果表明,所开发的子程序能够准确反应不同配筋形式的钢筋混凝土单元在不同受力状态下的响应,而ABAQUS内置的CDP模型由于无法反应钢筋混凝土单元斜裂缝出现后的剪应力强化效应,不能用于钢筋混凝土的受剪性能分析。     

多孔岩石塑性压缩本构模型研究

白垩是一种典型的多孔岩石,三轴试验研究成果表明白垩具有2种塑性力学机理:塑性压缩(孔隙坍塌)和剪切破坏。孔隙度对白垩的塑性力学特征有重要影响,在描述白垩塑性行为的本构方程中,特别是描述塑性压缩(孔隙坍塌)的塑性力学机理,需要考虑孔隙的影响。基于对白垩力学机理的认识,建立了基于Gurson屈服准则的本构关系用来描述白垩的塑性压缩(孔隙坍塌)机理的本构模型,模拟结果与试验成果相一致。     

ABAQUS混凝土塑性损伤模型概述

该文对大型非线性有限元分析软件ABAQUS中的混凝土塑性损伤模型进行了详细的介绍。着重讨论了混凝土塑性损伤模型的基本理论和损伤因子基于《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）[4]附录C应力-应变曲线的计算方法。同时也对ABAQUS中塑性损伤材料模型的滞回规则、屈服准则和流动法则作了简要介绍。     

混凝土单轴本构模型研究及ABAQUS二次开发

《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)以损伤本构的形式给出了素混凝土单轴本构模型。通过用户材料子程序(UMAT)将规范混凝土单轴本构模型在ABAQUS中进行二次开发,将其骨架曲线与经典的Mander模型和过-张模型做比较,并研究其损伤发展规律。规范没有给出完整的滞回规则,如受拉卸载时的滞回规则及受压加载后卸载到受拉时的滞回规则。基于损伤理论对规范本构模型做了补充,使之包含所有的加载路径。     

非线性弹粘塑本构模型开发及应用

讨论了岩体非线性流变的复杂力学行为,基于Peirc比例因子,提出一种非线性弹粘塑性本构模型,并推导了有限元应力返回算法及一致切线模量。根据ABAQUS的UMAT格式要求,编制了相应的接口程序,将该模型引入ABAQUS中。数值试验结果表明,所建立的非线性弹黏塑性流变模型可以统一描述不同应力状态下的蠕变过程,具有广泛的适用能力。采用该模型对岩石隧道进行弹粘塑蠕变数值计算,得到了隧道拱顶下沉及接触压力的随时间的变化规律。结果表明该模型是正确和可靠的,具有良好的应用前景。     

ABAQUS钢与混凝土复合材料模型的二次开发

为了找出结构的薄弱位置,往往需要对各种复杂的建筑结构进行整体结构层次上的弹塑性数值模拟。为提高建模以及数值计算效率,需要采用梁单元计算模型模拟钢筋、钢骨以及钢管混凝土梁柱等复杂的构件。在混凝土弹塑性损伤模型的基础上,基于ABAQUS平台开发了能够描述以上复杂梁柱构件力学行为的梁单元复合材料模型。模型的提出使整体结构的弹塑性数值计算可以采用较为简单的梁单元和板壳单元模拟,提高了超高层建筑结构整体弹塑性分析的效率。     

基于ABAQUS土体数值分析的本构模型

为了提高ABAQUS软件分析土体的准确性,对软件中运用的弹塑性本构模型Drucker-Prager和修正剑桥两种模型的特点和应用的参数进行了分析。结果表明弹塑性本构模型Drucker-Prager与修正剑桥模型的适用范围、条件以及参数的选取各不相同。Drucker-Prager适用于砂土等粒状材料,修正的剑桥模型适合于正常固结粘土和弱固结粘土。     

基于ABAQUS平台的四渡河悬索桥隧道锚围岩稳定性分析

隧道锚在实际工程中应用不多，目前对其稳定性的研究相对较少。基于大型通用非线性有限元分析软件ABAQUS的计算平台，利用该软件提供的用户材料子程序UMAT接口，将基于Rankine准则的Mohr-Coulomb模型添入ABAQUS中，采用Foamn语言开发了接口程序，并在此基础上对四渡河悬索桥隧道锚进行二维弹塑性有限元分析，计算了初始地应力场，模拟了隧道锚与公路隧道的新奥法施工过程，并考虑了开挖过程中隧洞周边接触软弱层的形成。将锚碇围岩的稳定性和锚固系统的整体安全度作为主要研究内容，其计算结果和长江科学院采用FLAC3D的分析结果比较，二者具有一致性。研究结果表明，所研制的接口程序开发思路正确，计算精度满足要求，所完成的工作为隧道锚设计提供了依据，具有相当重要的工程价值。     

基于Hoek-Brown准则的岩石损伤本构模型研究及其参数探讨

 在Hoek-Brown准则及假定岩石颗粒服从Weibull函数随机分布的基础上,结合岩石峰后软化的特点,对损伤参量进行合理修正,建立能反映岩石破裂全过程的三维损伤本构模型,并通过试验验证该模型的正确性。研究结果表明,该模型结果与试验结果吻合程度较好。在此基础上,探讨Weibull分布参数及Hoek-Brown准则中参数对岩石损伤本构模型的影响,对实际工程中适用于该准则的岩石有较好的参考价值。     

基于ABAQUS的形状记忆合金本构研究

利用ABAQUS的用户材料子程序VUMAT编制了的形状记忆合金(Shape m emory alloys,SMA)超弹性本构模型,并将其本构模型嵌入到ABAQUS材料库中。基于ABAQUS程序以及上述形状记忆合金本构模型,本文计算分析了某含有SMA材料构件的12层剪力墙结构在地震荷载作用下的响应,验证了该子程序的正确性及准确性。     

基于细观力学的盐岩蠕变损伤本构模型研究

在对盐岩在蠕变试验中所表现的损伤特征认识基础上,利用对应性原理建立了基于细观力学的盐岩蠕变损伤本构模型。该模型能够体现考虑损伤和不考虑损伤的蠕变力学过程的巨大差别,应变率随着有效蠕变应力的增大而增大的特征,及在一定畸应力作用下随着静水压力的增大蠕变应变率变小的特征。     

基于CT试验的岩体分区破损本构模型

在砂岩单轴压缩CT试验的基础上,定义了岩土材料的安全区、损伤进行区和破损区,对分区的CT阈值标准进行了讨论和经验选定。在此标准下,取得了所有断面在各加载阶段下的分区结果,并以第5扫描断面为例给出了分区的结果。利用数学形态学的图像测量技术对所有断面各区的CT信息进行了检出和统计分析,并对各个区上砂岩CT数随加载过程的变化规律以及破损区产生的条件进行了研究。根据检出的各加载阶段的安全区、损伤进行区和破损区的CT数统计资料,定义了一个基于CT数的统计损伤变量,建立了损伤演化方程,以此为基础建立了可反映砂岩分区破损的本构模型。     

基于统一强度理论的软岩损伤统计本构模型研究

基于统一强度理论，在考虑洛德参数的基础上，得到随洛德参数和中间主应力系数变化的材料统一强度参数，建立可以考虑中间主应力的统一强度理论平面形式的强度准则。假定软岩微元强度分布统计概率，定义软岩的统计损伤变量，依据统一强度理论建立三轴应力状态下软岩的损伤统计本构模型。通过软岩的常规三轴试验结果对其进行验证，对偏应力-应变的理论结果与试验结果进行比较。研究结果表明，该本构模型能够较好地反映软岩的偏应力-应变关系，尤其是应变软化特性。而且依据统一强度理论和统一强度内摩擦角的发挥，进一步分析表明洛德参数以及中间主应力系数b对偏应力一应变关系有影响，软岩的偏应力-应变曲线先随洛德参数的增大而上升到一定值，而后随洛德参数的增大而降低；随中间主应力系数b的增大而不断增加。     

基于FLAC3D的节理岩体采动损伤本构模型的 开发及应用

矿山开采沉陷是具有各种裂隙的岩体在采动应力作用下所发生的再变形和再破坏过程,裂隙随着开采的推进不断扩展.如果把矿山岩体原始裂隙看作是初始损伤,则可将随井工开采推进形成的裂隙扩展看作是损伤的演化.根据几何损伤理论中的裂隙张量和FLAC3D莫尔-库仑模型的塑性流动格式建立考虑初始损伤的节理岩体弹塑性本构模型的数值格式,在VC 开发环境中编写这种本构模型,供FLAC3D调用.通过一个单轴压缩数值试验对比,验证该模型应用于节理岩体的合理性.结合采矿工程实际,考虑初始损伤的演化,建立节理岩体采动损伤本构模型,对安家岭露天矿南端帮边坡下的井工开采进行数值模拟,得出露天煤矿台阶状边坡地表不同于平地地表的移动变形规律:台阶处的地表移动范围比平地处大;各级台阶处的变形比较集中.井工开采对上覆边坡岩体造成较大的扰动,不利于边坡的稳定:坡体地表出现安全度小于1的区域,坡体台阶受拉处安全度最小.模拟结果可为露井联采条件下井工开采设计和维护边坡稳定提供合理建议.     

基于应变局部化的岩样单轴压缩本构模型研究

应变局部化是加载过程岩样内部变形自组织的结果。基于岩样变形局部化的客观存在性,提出以变形局部化带的力学行为描述加载过程,并用参数方程表示岩样单轴压缩本构关系的方法。根据能量守恒原理,建立变形局部化过程的准静态增量平衡方程,推导峰值前后应力–应变曲线的参数方程、变形局部化与峰值应力及应变关系、II类岩石变形行为存在条件以及岩石失稳破坏判据。根据系统失稳临界条件,导出系统应力跌落量的表达式。研究结果表明,若应变局部化带的本构关系软化段曲线存在拐点,则系统发生应力跌落现象,否则发生脆性破坏。基于模型理论,证明II类岩石的破坏是不稳定的或是自持续的,以及常应变率下伺服式加载系统不能得到II类岩石软化段曲线的试验事实。通过对模型中力学参数的对比研究表明,岩石变形破坏不但在软化段具有尺寸效应和II类变形行为,而且硬化段也存在尺寸效应,表现出峰值对应的应变随着试件的增长而变小的规律。     

土工格栅蠕变本构模型的UMAT开发与验证

通过不同应力水平下土工格栅的蠕变试验,分析了三种应变类型随应力和时间的变化过程,提出ε=ε(σ,t)形式的土工格栅本构模型,采用有限元程序ABAQUS的用户材料子程序UMAT对本构模型进行了二次开发,并将计算模型的结果与试验数据进行了比较。蠕变试验数据表明在一个受力区间内各种应变随着应力的增加都急剧增长,该区间是进行土工格栅蠕变特性研究的重要区域。计算模型结果表明编程后的能很好地吻合短期蠕变变形试验数据,并能合理预估长期蠕变变形的趋势。完成的土工格栅材料模型可以放入工程结构寿命计算中的材料库,实现土工格栅合理设计的量化分析。