Numerical simulation of influence of shear dilatancy on deformation characteristics of shear band-elastic body system

The paper was numerically focused on investigation of deformation, failure and instability of shear band-surrounding elastic reck system in plane strain direct shear test considering shear dilatancy according to fast lagrangian analysis of continua (FLAC). The adopted failure criterion was a composite Mohr-Coulomb criterion with tension cut-off and post-peak constitutive relation of rock, i.e. linear strain-softening. Numerical results show that dilation angle affects the responses of elements, the number and the position of yielded elements. Increasing dilation angle results in higher load-carrying capability of elements, higher deformation or strain corresponding to peak stress, less brittle post-peak stress-deformation curve. Strain-hardening behavior can occur if dilation angle is high.Therefore, shear band-elastic reck body system tends to be stable and rock burst does not occur as dilation angle is increased. Moreover, the number of yielded elements is increased with dilation angle increase and two‘ parallel plastic zones initially generated in the middle of two loading ends of specimen no longer remain collinear, reflecting increase in deformation resistant of the system. Evolution of volumetric strain rate was investigated based on three-dimensional curved surface diagrams. Approximately, volumetric strain rate concentration regions coincide with plastic zones. Volumetric strain rate in yielded elements is very evident. However, in elastic zones volumetric strain has not been nearly changed throughout the numerical tests.     

钛合金绝热剪切的敏感性分析及环境温度的影响

通过引入与Batra及Kim类似的观点,将绝热剪切带宽度定义为绝热剪切带的中心区域的宽度(W5%),在该区域上温度比其峰值小5%,利用Johnson-cook模型及梯度塑性理论分析Ti-6A1-4V绝热剪切带的厚度随环境温度的演变规律.计算表明,随着环境温度的升高,绝热剪切带宽度增加,这与许多实验观测结果一致.当绝热剪...     

考虑一阶和二阶位移梯度的数字图像相关方法在剪切带测量中的比较

当剪切带中存在二阶位移梯度或应变梯度时,研究了两种数字图像相关(DIC)方法在测量位移、应变及应变梯度中的表现。以基于梯度塑性理论的剪切带的位移解作为基础,通过Matlab仿射变换制作了具有不同平均剪切应变和应变梯度的虚拟剪切带。通过对其计算和分析得到了下列结果:当剪切带的平均剪切应变和应变梯度较高时,与只考虑一阶位移梯度的DIC方法相比,考虑二阶位移梯度的DIC方法优势明显,获得的位移、应变及应变梯度结果与理论解比较吻合,由于DIC方法测量的是平均应变,因此,剪切带中心的峰值应变将被低估;当剪切带的平均剪切应变和应变梯度较低时,剪切带中心的峰值应变可能被高估,受标准偏差的影响,考虑二阶位移梯度的DIC方法没有优势。基于上述研究结果,在单向压缩应力控制加载条件下,对砂样从开始加载至宏观裂纹出现之前变形过程中的3种应变场的4种结果进行了分析。由于应变不超过0.25,因而考虑二阶位移梯度的DIC方法的结果并无优势。     

基于测点优化的亚像素数字图像相关方法

鉴于传统数字图像相关（DIC）方法采用的布点方式（水平成行,垂直成列）很可能会将一些测点分布在散斑质量较差的位置,提出了一种基于测点优化、Newton-Raphson（N-R）迭代与粒子群优化（PSO）算法的DIC方法。首先,通过在原始测点周围寻找散斑质量较好的区域来优化测点位置;然后,采用基于N-R迭代与PSO的粗细搜索方法计算优化后（非均匀分布）测点的位移场;最后,采用二维格林样条插值算法对该位移场进行插值以获得原始测点处的位移场,再由中心差分方法获得应变场。对3幅散斑质量差别较大的散斑图上的测点进行了优化,并将传统方法和提出方法获得的应变的各种结果进行了比较。研究发现,当样本子区尺寸在21~41 pixel之间时,对于平均灰度梯度处于10~20 pixel-3,且预加应变量处于0.01~0.05之间的散斑图,采用该方法可以获得较好的测量结果,这与优化测点位置有关。若采用该方法仅对原始测点中分布在散斑质量较差位置处的那些测点进行优化,有望获得更为理想的测量结果。     

基于环绕测点子区分割的数字图像相关方法剪切带宽度测量研究

提出了一种致力于改善狭窄、高应变梯度剪切带宽度测量精度的数字图像相关方法.通过对测点的原始子区的有限分割,使后代子区环绕在测点周围,以使一些后代子区位于简单变形区域,进而以最佳后代子区的结果作为测点结果.通过对比提出方法和粗-细方法的虚拟剪切带宽度测量结果,验证了提出方法的有效性,并从理论上分析了剪切带宽度测量误差.研...     

剪胀对岩样全部变形特征的影响

采用FLAC内嵌语言FISH编制了计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比的FISH函数，研究了剪切扩容对剪切带图案及岩样全部变形特征的影响。在峰值强度之前及之后，岩石的本构模型分别取为线弹性及莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。分析表明，增加剪胀角使岩样由单一向共轭剪切破坏转变，并使接近Arthur倾角的剪切带倾角增加。剪切带宽度随剪胀角增加，可由基于梯度塑性理论且考虑剪胀后的剪切带宽度公式进行解释。剪胀角增加导致峰值强度及对应的轴向、侧向及体积应变增加。在峰后，由于剪胀引起剪切带条数及宽度增加，因而，轴向应力-轴向及侧向应变曲线软化段都变平缓。剪胀角较高时，岩样可获得更大的侧向变形量及泊松比，甚至是负的体积应变；岩样失稳破坏的前兆更加明显。     

基于DIC方法的土样剪切带倾角的演变规律研究

采用数字图像相关(DIC)方法测量了单轴压缩长方体土样变形破坏过程中表面的应变场,并根据最大剪应变场研究了土样剪切带倾角的演变规律。剪切带倾角是通过对包含剪切带的四边形区域内最大剪应变逐行或逐列搜索获得的最大值对应的坐标进行线性拟合得到的。首先,分析了搜索方式及插值点的数量对剪切带倾角的影响,发现采用逐行搜索方法且当插值点的数量与原始测点的数量之比大于16时,获得的剪切带倾角比较准确;然后,对12个土样中24条剪切带的倾角的演变规律进行了测量,发现在剪切带发展过程中,剪切带的形状逐渐由不规则向规则转变,剪切带倾角的最大及最小变化量分别为9°和0.6°,剪切带倾角的范围为46.5°~72.3°,随着纵向应变的增加,剪切带倾角的演变规律主要包含5种模式。     

平面应变条件下含孔洞土样受内压作用的变形破坏过程

在不同加载速率下,利用自主研制的平面应变模型加载及观测系统对平面应变条件下含孔洞土样进行双轴压缩实验。垂压由试验机施加,土样受到的内压和侧压作用由气囊施加。在对土样施加内压和侧压后、进行位移控制加载前,操控数码相机对喷涂了散斑的土样表面图像进行拍摄,以记录土样在位移控制加载过程中的全部变形过程。利用数字图像相关方法获得土样的位移场,利用能较好滤掉位移场噪声的局部位移最小二乘拟合方法获得最大剪切应变的分布及演变规律。为了定量获得最大剪切应变且分析方便,根据清晰剪切带位置,布置曲折测线并在其两侧布置平直测线。研究发现：当加载速率较低且纵向应变达到一定值时,拉破坏导致土样的孔洞顶部和底部发展出高角度应变局部化带,而当加载速率较高时,未出现上述现象;当纵向应变较高时,在孔洞表面附近,随着向孔洞表面的逐渐靠近,大多数剪切带内测线上的最大剪切应变逐渐增加,而大多数带外测线上的最大剪切应变则逐渐下降;当纵向应变较高时,在离孔洞表面较远处,随着向孔洞表面的逐渐靠近,大多数剪切带内测线上的最大剪切应变逐渐增加,而大多数带外测线上的最大剪切应变则变化复杂。     

平面应变压缩岩样侧向变形特征数值模拟

在平面应变压缩条件下,采用拉格朗日元法对岩样的应变局部化启动、传播、形成及侧向位移特征进行了数值模拟。在数值计算中,采用了莫尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,峰后岩石的本构关系为线性应变软化。研究发现,试样的侧向位移具有非均匀性。由于端面约束的作用,接近试样上、下端面的节点的侧向位移远小于试样中部节点的侧向位移。在试样的上、下端面附近,由于弹性应变的恢复快于塑性应变的增加,因而,轴向压缩应力-侧向位移曲线出现了快速回跳现象。通常,可以通过检测岩样不同位置的侧向位移-时步曲线识别出变形局部化启动的时刻。相同高度的侧向位移-时步曲线最先发生分离的时刻,即为局部化启动的时刻。局部化启动之后,试样两侧的侧向位移具有非对称性,侧向位移变化具有非同步性。     

样单轴压缩轴向及侧向变形耗散能量及稳定性分析

首先从能量的角度分析了单轴压缩岩石试件轴向及侧向塑性变形的耗散能量及其联系。根据梯度塑性理论，局部化带的尺寸由特征长度确定，得到了单轴压缩岩样由于剪切局部化而引起的轴向及侧向塑性变形所耗散能量的解析解。研究结果表明：剪切带消耗的能量等于侧向及轴向塑性变形消耗的能量的总和；轴向塑性变形消耗的能量与侧向塑性变形消耗的能量成正比，其比例系数与剪切带倾角有关；轴向塑性变形消耗的能量要大于侧向塑性变形消耗的能量；当流动应力为0时，剪切带消耗的能量达到最大值；轴向外力对试件作功等于侧向及轴向塑性变形消耗的能量的总和；增加剪切带倾角，侧向塑性变形消耗的能量占剪切带消耗的能量的比例增加。然后分析了单轴压缩岩石试件轴向及侧向变形的不稳定性。将剪切带及带外弹性岩石所受到的剪应力分解为水平及垂直剪应力，剪切带的塑性剪切变形也分解为水平及垂直变形。建立了水平剪力与侧向塑性变形及垂直剪力与轴向塑性变形的理论关系。水平剪力与侧向塑性变形曲线的斜率等于垂直剪力与轴向塑性变形曲线的斜率。由于这些关系依赖于结构尺寸，因此，不能被看作本构关系。将剪切带视为“试件”，将带外弹性体看作“试验机”。根据刚度理论，可以得到“试件”–“试验机”系统在水平及垂直两个方向上的失稳判据，结果表明，二者是相同的。失稳判据不仅和岩石材料的自身特性有关，还和岩石试件的结构尺寸相关。