一种横观各向同性强度准则及变换应力空间

考虑岩土介质在自然形成过程中产生的原生各向异性性质,将其简化为一种横观各向同性岩土材料.基于已提出的a强度准则,根据沉积面与有效滑移面在物理空间中位置的相互关系,采用两面的空间夹角作为度量岩土材料原生各向异性在加载条件下发挥强度作用的影响变量.并根据有效滑移面的物理概念,当沉积面与有效滑移面夹角越大,则摩擦特性潜力发挥的越充分,此时对应更高的强度应力比,反之则对应越小的强度应力比.基于上述思想,建立了考虑原生各向异性的强度应力比公式,将其用于修正a准则,进而得到了横观各向同性a准则公式.采用上述横观各向同性a准则公式向各向同性Von-Mises准则公式转换的变换思路,在横观各向同性a准则公式基础上,推导得到了变换应力公式,该公式可由横观各向同性应力空间转变为各向同性应力空间,利用所提出的变换应力方法,可方便的将传统的在偏平面上以Von-Mises准则为基础的二维模型转换为可考虑原生各向异性的三维模型.通过对岩土材料的强度以及真三轴条件下的应力应变关系试验数据预测,验证了所提的横观各向同性a准则及其变换应力公式的有效性及适用性.      

一种横观各向同性强度准则及变换应力空间

考虑岩土介质在自然形成过程中产生的原生各向异性性质,将其简化为一种横观各向同性岩土材料.基于已提出的a强度准则,根据沉积面与有效滑移面在物理空间中位置的相互关系,采用两面的空间夹角作为度量岩土材料原生各向异性在加载条件下发挥强度作用的影响变量.并根据有效滑移面的物理概念,当沉积面与有效滑移面夹角越大,则摩擦特性潜力发挥的越充分,此时对应更高的强度应力比,反之则对应越小的强度应力比.基于上述思想,建立了考虑原生各向异性的强度应力比公式,将其用于修正a准则,进而得到了横观各向同性a准则公式.采用上述横观各向同性a准则公式向各向同性Von-Mises准则公式转换的变换思路,在横观各向同性a准则公式基础上,推导得到了变换应力公式,该公式可由横观各向同性应力空间转变为各向同性应力空间,利用所提出的变换应力方法,可方便的将传统的在偏平面上以Von-Mises准则为基础的二维模型转换为可考虑原生各向异性的三维模型.通过对岩土材料的强度以及真三轴条件下的应力应变关系试验数据预测,验证了所提的横观各向同性a准则及其变换应力公式的有效性及适用性.     

含主应力轴旋转的广义塑性位势理论

大量岩土实验与工程实践表明传统塑性位势理论无法合理反映岩土材料的基本变形机制。从塑性位势理论角度来看,当存在主应力轴旋转时,塑性应变增量与应力不共主轴,此时最一般情况下的塑性应变增量须用六个线性无关的塑性势函数来表述,从而提出含主应力轴旋转的广义塑性位势理论一般表达式。通过矩阵分析,将一般应力增量分解成共轴分量与旋转分量之和。在应力增量分解的基础上,提出含主应力轴旋转的广义塑性位势理论的分解表达式     

基于SMP破坏准则的饱和砂土弹塑性本构模型

利用土体的塑性流动理论，提出了用于描述饱和砂土在单调荷载作用下的应力一应变反应性质的弹塑性本构模型。土体总的变形由三部分组成：即弹性应变、与体积屈服机制相关的塑性应变和与剪切屈服机制相关的塑性应变，其中与剪切屈服机制相关的塑性应变的得出是基于SMP破坏准则。通过将模型预测的结果与试验结果进行对比，表明该模型能够较为准确地描述饱和砂土在单调加载条件下的反应性质。     

一种非线性强度准则及转换应力法

岩土材料在二维破坏模式下具有较强烈的曲线形态,在一般剪应力与正应力空间中提出用幂参数曲线来表达上述曲线,该曲线与摩尔圆的外切点即对应为破坏应力点,则利用该点的外切直线斜率的反正切值来得到有效滑移角.对于三维单元体,共存在三个有效滑移角,利用三个有效滑移角确定出空间有效滑移面.基于岩土材料为摩擦型材料这一基本特性,利用空间有效滑移面上的应力比为一定值作为衡量材料破坏与否的判断准则,基于上述思路推导得到了t强度准则,在偏平面上,t准则开口形状为介于Von-Mises圆形曲线到SMP曲边三角形形态.在子午面上,引入开口的幂函数作为反映静水压力效应以及剪切破坏的曲线,而闭口的水滴型屈服面函数作为反映体积压缩屈服曲线,反映了岩土材料的压剪耦合特性.基于所提出的t强度准则,推导了变换应力公式,可将以p, q为应力量的二维模型简单方便的转换为三维应力状态本构模型.通过强度以及多种应力路径的测试对比,验证了所提t准则及基于该准则的变换应力公式的合理性.     

基于t准则的各向异性强度准则及变换应力法

岩土材料通常呈现出成层水平分布特点, 即可将其视为横观各向同性材料, 横观各向同性对于岩土材料的变形以及强度值都会产生显著的影响. 基于已提出的t强度准则, t强度准则是基于各向同性单元体中存在有效滑移面来构建的, 并根据该空间有效滑移面上主剪应力与主法向应力的比值达到一定阈值为破坏条件. 在空间中存在有效滑移面与物理沉积面, 基于上述两个面在空间的位置关系, 用两面夹角作为表征横观各向同性对剪切强度影响程度的参量, 并假定当该夹角值越大, 则各向异性对强度贡献程度越大, 对应更大的应力比强度值, 反之, 则对应更小的应力比强度值. 基于上述思路并类比将其推广为正交三维各向异性准则, 基于三维各向异性材料的三维沉积面, 提出了三维特征沉积面的概念, 并基于空间滑移面与三维特征沉积面之间的夹角作为度量各向异性程度的变量, 提出了基于两面角作为参量考虑原生各向异性的应力比强度公式, 并利用该应力比强度公式来修正已提出的t强度准则, 最终建立了考虑各向异性影响的t准则公式. 在上述准则基础上, 考虑将各向异性应力空间转换为各向同性应力空间的思路, 在各向异性t准则基础上, 推导得到了基于各向异性强度t准则的变换应力公式, 利用变换应力公式可以将传统的以p, q为变量的各向同性本构模型转变为可考虑各向异性的三维本构模型. 通过对岩土材料的强度以及真三轴条件下的应力应变关系试验数据预测, 验证了所提的各向异性t准则及其变换应力公式的有效性及适用性.      

一种非线性强度准则及转换应力法

岩土材料在二维破坏模式下具有较强烈的曲线形态,在一般剪应力与正应力空间中提出用幂参数曲线来表达上述曲线,该曲线与摩尔圆的外切点即对应为破坏应力点,则利用该点的外切直线斜率的反正切值来得到有效滑移角.对于三维单元体,共存在三个有效滑移角,利用三个有效滑移角确定出空间有效滑移面.基于岩土材料为摩擦型材料这一基本特性,利用空间有效滑移面上的应力比为一定值作为衡量材料破坏与否的判断准则,基于上述思路推导得到了t强度准则,在偏平面上,t准则开口形状为介于Von-Mises圆形曲线到SMP曲边三角形形态.在子午面上,引入开口的幂函数作为反映静水压力效应以及剪切破坏的曲线,而闭口的水滴型屈服面函数作为反映体积压缩屈服曲线,反映了岩土材料的压剪耦合特性.基于所提出的t强度准则, 推导了变换应力公式,可将以$p,q$为应力量的二维模型简单方便的转换为三维应力状态本构模型.通过强度以及多种应力路径的测试对比,验证了所提t准则及基于该准则的变换应力公式的合理性.      

ANISOTROPIC STRENGTH CRITERION BASED ON T CRITERION AND THE TRANSFORMATION STRESS METHOD 1)

岩土材料通常呈现出成层水平分布特点, 即可将其视为横观各向同性材料, 横观各向同性对于岩土材料的变形以及强度值都会产生显著的影响. 基于已提出的t强度准则, t强度准则是基于各向同性单元体中存在有效滑移面来构建的, 并根据该空间有效滑移面上主剪应力与主法向应力的比值达到一定阈值为破坏条件. 在空间中存在有效滑移面与物理沉积面, 基于上述两个面在空间的位置关系, 用两面夹角作为表征横观各向同性对剪切强度影响程度的参量, 并假定当该夹角值越大, 则各向异性对强度贡献程度越大, 对应更大的应力比强度值, 反之, 则对应更小的应力比强度值. 基于上述思路并类比将其推广为正交三维各向异性准则, 基于三维各向异性材料的三维沉积面, 提出了三维特征沉积面的概念, 并基于空间滑移面与三维特征沉积面之间的夹角作为度量各向异性程度的变量, 提出了基于两面角作为参量考虑原生各向异性的应力比强度公式, 并利用该应力比强度公式来修正已提出的t强度准则, 最终建立了考虑各向异性影响的t准则公式. 在上述准则基础上, 考虑将各向异性应力空间转换为各向同性应力空间的思路, 在各向异性t准则基础上, 推导得到了基于各向异性强度t准则的变换应力公式, 利用变换应力公式可以将传统的以p, q为变量的各向同性本构模型转变为可考虑各向异性的三维本构模型. 通过对岩土材料的强度以及真三轴条件下的应力应变关系试验数据预测, 验证了所提的各向异性t准则及其变换应力公式的有效性及适用性.     

应变控制的热机械疲劳行为的数值模拟

根据高温合金材料的力学性能，以弹粘塑性本构模型为基础，用数值模拟方法研究材料的热机械疲劳循环特性，模型将应变分为弹性应变、温度应变和粘塑性应变三部分，认为材料在高温循环载荷下呈现明显的弹粘塑性特征，根据虚位移原理建立轴对称体的弹粘塑性计算有限元格式，对于循环机械载荷和循环温度载荷，程序中采用了增量法迭代求解，在非线性项中不仅考虑了机械载荷增量的影响，同时也考虑了温度增量的影响，根据应变控制热机械疲劳的特点，发展了应变增量法的有限元计算方法、通过数值模拟，得到材料在各种循环载荷下的应力—应变响应，数值模拟较好地反映了粘塑性变形过程以及温度变化的效应，所描述的不可逆系统在某一时刻的状态完全由当时的状态参数、内变量、承载时间及塑性应变累积量决定，对带缺口试件的模拟结果显示了程序对复杂轴对称结构进行热机械疲劳计算的有效性。     

各向同性率无关材料本构关系的不变性表示

在内变量理论的框架下,针对各向同性率无关材料,使用张量函数表示理论建立了塑性应变全量及增量本构关系的最一般的张量不变性表示. 它们均由3个完备不可约的基张量组合构成,这3个基张量分别是应力的零次幂、一次幂和二次幂. 因此得出,塑性应变、塑性应变增量与应力三者共主轴. 通过对基张量的正交化,给出了本构关系式在主应力空间中的几何解释. 进一步,全量(或增量)本构关系中3个组合因子被表达为应力、塑性应变(或塑性应变增量)的不变量的函数. 当塑性应变(或塑性应变增量)的3个不变量之间满足一定关系时,所给出的本构关系将退化为经典的形变理论(或塑性势理论).最后,还讨论它与奇异屈服面理论的关系,当满足一定条件时,两者是一致的.      

岩土的一种强度准则及其变换应力法

基于岩土摩擦性,假设岩土破坏是由其物理空间内特征面上的应力比决定,提出了等效应力比的概念,即物理空间特征面上的剪应力合力与正应力合力的比值.在二维条件下,等效应力比可表示为σ-τ坐标系下与摩尔圆相切的直线扣除截距正切值;在三维条件下,假设在XYZ空间内存在一三维物理空间平面,此三维空间特征平面的等效应力比为影响材料强度特性的决定性因素,基于上述三维空间特征面建立了强度准则并称之为a准则.SMP准则以及广义Mises准则都是a准则的特例,当二维坐标中的截距为零时,则强度准则退化为SMP(spatially mobilized plane)强度准则,而当正切角为零时,则强度准则退化为广义Mises准则.而当截距与外切角均不为零时,则强度准则为介于上述两者之间的一种强度准则,在偏平面上为介于SMP曲边三角形与广义Mises圆形之间的曲边三角形.在子午面上,采用考虑岩土压剪耦合的屈服准则,破坏准则采用幂函数表达式.在偏平面上提出了基于a准则的形状函数,并采用真三维应力状态表示的破坏强度准则表示在三轴压缩路径下以p,q二维应力变量表达的准则公式,推导得到了基于a准则的变换应力公式,可简单地将一般以p,q为基本变量的二维模型转变为三维应力模型.通过强度以及多种应力路径的测试对比,验证了a准则及基于该准则的变换应力公式的合理性.     

金属切屑塑性流动的稳定性

对金属正交切削过程中切屑形成机制和材料塑性流动行为进行实验研究和理论分析. 通过对4 种常用金属材料正交切削过程的实验研究和切屑形貌的微观观察,确定了连续切屑转变成锯齿切屑的临界速度. 结果表明该临界速度与材料性能相关. 在实验观察基础上,提出描述材料正交切削过程的二维分析模型. 该模型假设切屑形成区为包括主剪切区和次剪切区的一个平行四边形. 载荷有主剪切区中的剪应力和次剪切区中的正压力;通过量纲分析得到描述材料正交切削过程的无量纲主控参数和无量纲形式的基本控制方程;应用线性稳定性分析方法建立平面应变状态下评价材料塑性流动稳定性的普遍准则;求得切屑形成区内材料塑性变形的速度和应力近似解. 讨论切屑形成、形貌转变以及相关的塑性失稳机制. 分析结果表明, 表征材料惯性与阻尼之比的无量纲参数— 雷诺数可以作为主控参数描述金属切削过程以及切屑材料塑性流动的稳定性.      

A plane stress anisotropic plastic flow theory for orthotropic sheet metals

A phenomenological theory is presented for describing the anisotropic plastic flow of orthotropic polycrystalline aluminum sheet metals under plane stress. The theory uses a stress exponent, a rate-dependent effective flow strength function, and five anisotropic material functions to specify a flow potential, an associated flow rule of plastic strain rates, a flow rule of plastic spin, and an evolution law of isotropic hardening of a sheet metal. Each of the five anisotropic material functions may be represented by a truncated Fourier series based on the orthotropic symmetry of the sheet metal and their Fourier coefficients can be determined using experimental data obtained from uniaxial tension and equal biaxial tension tests. Depending on the number of uniaxial tension tests conducted, three models with various degrees of planar anisotropy are constructed based on the proposed plasticity theory for power-law strain hardening sheet metals. These models are applied successfully to describe the anisotropic plastic flow behavior of 10 commercial aluminum alloy sheet metals reported in the literature.     

Anisotropic plasticity for sheet metals using the concept of combined isotropic-kinematic hardening

Hill's 1948 anisotropic theory of plasticity (Hill, R., 1948. A theory of yielding and plastic flow of anisotropic metals. Proc. Roy. Soc. London A193, 281–297) is extended to include the concept of combined isotropic-kinematic hardening, and the objective of this paper is to validate the model so that it may be useful for analyses of sheet metal forming. Isotropic hardening and kinematic hardening may be experimentally observed in sheet metals, if yielding is defined by the proportional limit or by a small proof strain. In this paper, a single exponential term is used to describe isotropic hardening and Prager's linear kinematic hardening rule is applied for simplicity. It is shown that this model can satisfactorily describe both the yield stress and the plastic strain ratio, the R-ratio, observed in tension test of specimens cut at various angles measured from the rolling direction of the sheet. Kinematic hardening leads to a gradual change in the direction of the plastic strain increment, as the axial strain increases in the tension test; while in the traditional approach for sheet metal, this direction does not change due to the use of isotropic hardening.     

Analysis to the stress and strain structures of mode I 3-D crack in elastic-plastic state

In this paper, the stress and strain structures of Mode I 3-D crack in power hardening material are studied by analyzing the fundamental equations of elastic-plastic mechanics. It is shown that three regions, Z1,Z2 and Z3 can be divided in the thickness direction according to the stress characteristic. In region Z1, the stress components in the plane Perpendicular to z axis (thickness direction) can be solved first using the fundamental equations of plane strain state; in region Z3, they can be solved first by the equations of plane stress state. The region Z2 is defined as a transition layer. It is shown that the transition layer is the characteristic of Mode I 3-D crack in elastic-plastic state, and it is significant to the research on 3-D fracture. The crack tip opening displacement CTOD is chosen to describe the amplitude coefficient of the local stress field, and the distribution of CTOD in 3-D state is investigated.The project supported by National Natural Science Foundation of China.     

An endochronic theory accounted for deformation induced anisotropy

An anisotropic quadratic form of plastic strain increment is used to define the intrinsic time in the endochronic theory of plasticity. Based on this new definition, a yield function can be derived. This new version of endochronic theory can describe the expansion, translation, rotation, and distortion of the yield surface. While the initial yielding is in the form of the Mises yield criterion, the distortion of subsequent yield surfaces is expressed by the compression or stretching of the Mises yield surface. The effect of sharp front and blunt rear of the yield surface is considered to be of secondary importance and neglected in the interest of keeping the equations simple. This idealization will not much affect the prediction power of the model, because the plastic strain increment is in the radial direction emanating from the center of the current yield surface and is not normal to the current yield surface. In this theory, the plastic deformation is thus not sensitive to the exact shape of the yield surface. It has been shown that the proposed theory is capable of describing the experimental results of three different metals considered. The test series investigated include several different paths of prestress.     

Predicting failure modes and ductility of dual phase steels using plastic strain localization

Ductile failure of metals is often treated as the result of void nucleation, growth and coalescence. Various criteria have been proposed to capture this failure mechanism for various materials. In this study, ductile failure of dual phase steels is predicted in the form of plastic strain localization resulting from the incompatible deformation between the harder martensite phase and the softer ferrite matrix. Microstructure-level inhomogeneity serves as the initial imperfection triggering the instability in the form of plastic strain localization during the deformation process. Failure modes and ultimate ductility of two dual phase steels are analyzed using finite element analyses based on the actual steel microstructures. The plastic work hardening properties for the constituent phases are determined by the in-situ synchrotron-based high-energy X-ray diffraction technique. Under different loading conditions, different failure modes and ultimate ductility are predicted in the form of plastic strain localization. It is found that the local failure mode and ultimate ductility of dual phase steels are closely related to the stress state in the material. Under plane stress condition with free lateral boundary, one dominant shear band develops and leads to final failure of the material. However, if the lateral boundary is constrained, splitting failure perpendicular to the loading direction is predicted with much reduced ductility. On the other hand, under plane strain loading condition, commonly observed necking phenomenon is predicted which leads to the final failure of the material. These predictions are in reasonably good agreement with experimental observations.