土的各向同性化变换应力方法

在不同方向的力学参数、结构特性及应力应变关系的不同为材料的各向异性, 建立能够反映这种复杂特性的强度准则、本构模型, 对于材料本构关系的研究具有重要的理论意义. 但材料的各向异性一直是其力学特性描述的难点, 对此, 郑泉水院士提出了各向同性化定理, 为后续研究解决材料的各向异性问题提供了方向及思路. 作者等针对土的应力诱导各向异性提出了变换应力方法, 这种方法同样遵循对材料进行各向异性问题各向同性化处理的思路, 与郑泉水院士的各向同性化定理是一脉相承的, 也是对各向同性化定理的发展. 本文旨在通过分析各向同性化定理与变换应力方法明确两者间的内在联系, 并以土材料的应力诱导各向异性处理为例, 说明在具体材料的各向异性处理过程中面临的现实问题以及变换应力方法是如何解决这些问题的. 分析并给出了变换应力方法应用时的三个合理假设, 推导出了具体的变换应力数学公式, 阐明了在考虑土的应力诱导各向异性的具体函数已经给出的情况下, 在构造土的弹塑性本构模型中采用变换应力方法的必要性.      

土结构性本构模型研究现状综述

土本构模型的建立是一个重要而又复杂的问题,到目前为止,国内外学者们已提出数以百计的土本构模型,诸多文献也对这些模型进行了评述和归纳。然而这些土本构模型多是在扰动土或砂土的基础上发展和建立起来的,它们难以描述由于土结构性引起的各种非线性行为,其计算结果与实际情况相差甚远。天然土体一般都具有一定的结构性,所以有必要建立考虑土结构性影响的土本构模型。针对这个现实,目前有些学者已基于各种理论和方法,提出了一些可以考虑土结构性影响的土本构模型,并得了较好的应用。但在目前的文献中还很少有对土的结构性本构模型研究进行归纳,基于此,本文简要介绍了一下目前土的结构性本构模型研究现状,并提出了这些本构模型在应用中所存在的问题。     

土本构关系的尖点突变模式

本文首次应用突变理论的尖点突变模型分析土的本构特性,建立了土相应的统一本构关系方程。该方程可以考虑软化土的应力路径,亦可分析硬化土的应力路径,统一本构方程通过试验检验是令人满意的。     

超固结饱和黏性土的弹塑性本构模型及三轴试验模拟

针对饱和超固结黏性土现有的下加载面修正剑桥模型破坏应力比为定值,不能反映土体在不同应力状态下强度特性存在差异这一问题,为了更好地反映应力状态变化对破坏应力比的影响,基于三剪统一强度准则确定超固结土的破坏应力比。在此基础上得到了超固结土的弹塑性本构模型,该模型的特点是能够描述土体受力时的中间主应力效应、应力区间效应、拉压差影响。基于该本构模型作了常规三轴压缩条件下超固结饱和黏性土的模拟结果与试验结果对比,结果表明:该模型能够反映不同超固结比下土的变形、剪胀、孔隙水压力变化特性和规律。利用该本构模型模拟了排水和不排水条件下的真三轴压缩试验,得到了相应的应力-应变特性曲线。     

循环载荷下砂质土的本构模型

提出了一个描述砂质土循环载荷条件下主要特性的本构模型，并且采用不同围压下多种加载途径的土力学实验确定了模型中的待定材料常数，由本构模型的增量工数值积分计算所得到的理论曲线与不同应力路径下实验曲线十分接近，经实验验证这种本构模型能广泛地应用土工问题的弹－塑性有限元分析中。     

一般加载规律的弹塑性本构关系

将有关文献给出一般加载规律一维全量理论的简单模型推广到一般加载规律的一维增量理论,进而推广到一般加载规律的多维增量理论,在此基础上,建立了推导一般加载规律的多维增量理论的本构关系的一种途径。应用这种途径,从应力空间的加载函数和应变空间的加载函数出发,推导了等向强化材料和被加热的等向强化材料的一般加载规律的弹塑性本构关系的两种表示形式。理论和实例均表明,这种途径对等向强化材料、随动强化材料和理想弹塑性材料均适用。     

材料的弹粘塑性本构关系和应力波的演化

试验表明，大多数工程材料在冲击载荷作用之下的变形一般都同时包含有可恢复的瞬态性弹性变形和不可恢复的粘滞性塑性变形，即其本构关系可以用弹粘塑性模型来描述。本文从内变量理论出发，探讨了时率相关材料的弹粘塑性本构关系的一般特性，建立了增量型的弹粘塑性本构关系的一般理论框架和普适的表达式，并且对两种最常用的本构模型——Bodner-Partom模型和Johnson-Cook模型给出了在一维应变条件下的具体形式。通过计算和讨论一维应变粘塑性靶板中冲击波的衰减机制和应力波的演化规律，特别是考察各种粘塑性本构模型中的材料参数对冲击波的衰减和应力波的演化的影响，得出了一些可以直接应用或具有一定借鉴价值的结果，为研究应力波的其他衰减机制以及在人防工程中智能防护层设计时新材料的选取奠定了基础。     

多孔材料动态实验方法述评

人们已经发展了几种获得多孔材料动态本构关系的方法。主要是透射波技术、冲击反射技术和拉格朗日分析。本文评述了这些方法并考察了它们适用的范围,以指导我们在将架的研究工作中选择方法,也指出在哪些方面尚无满意的实验技术。在动态条件下要测量偏应力的方法,尤其是为了多维的计算模型所必需的数据这些方法就更加必要了。      

静水应力对金属玻璃变形和破坏的影响

论文考虑自由体积、热和静水应力等因素对材料变形和破坏的影响,推导了块体金属玻璃的三维热力耦合本构模型,并引入临界自由体积浓度的材料破坏准则.将相应本构模型和破坏准则写入LS-DYNA软件的用户自定义材料子程序(UMAT)中,开展了针对金属玻璃在不同变形条件下的有限元模拟研究,分析材料内部物理参量的演化特性及其所导致的材料宏观表象.分析显示,静水应力对金属玻璃的力学行为具有重要影响,导致材料的变形和破坏呈现出显著的拉压不对称特征.     

关于无屈服面粘塑性理论

本文对Bodner-Partom幂函数型粘塑性本构方程进行了某些分析讨论,揭示了该本构模型的某些内涵,特别是对模型所涉及的几个材料常数对应力应变关系的影响以及该模型的加卸载性质和历史效应作了具体的剖析。最后与Perzyna超应力本构模型进行了比较。     

冲击荷载作用下深埋洞室稳定性分析

建立了反映高应力状态下岩石材料塑性变形及损伤破坏的弹塑性损伤本构模型。通过ABAQUS显式有限元计算程序及其二次开发平台,使用FORTRAN语言编制本构计算程序,将本构模型导入ABAQUS计算软件当中。将本文提出的岩石材料弹塑性损伤本构模型应用于深埋地下洞室受冲击地压作用问题的计算分析。计算分析结果说明:在应力较低时,受冲击作用后的洞室围岩表现出明显的脆性开裂破坏特征;随着地应力水平的提高,围岩变形及承受冲击荷载的能力均明显变大,洞室在发生较大塑性变形后才出现整体性破坏。     

考虑温度效应的弹性损伤一般理论

现有的各种损伤理论基本上都是关于等温问题的 ,且在不同程度上依赖于某些经验假设。本文在严格的不可逆热力学理论基础之上 ,建立了考虑温度效应的弹性损伤一般理论。推导出热弹性各向同性与各向异性损伤材料全部本构方程的一般形式 ,其中包括应力 应变关系、熵密度方程、损伤对偶张量表达式、热 固 损伤耦合的热传导方程和损伤演化方程。它们的特殊形式包含了等温各向同性与各向异性弹性损伤的本构方程     

Al2O3陶瓷材料应变率相关的动态本构关系研究

采用改进的SHPB实验方法对Al2O3陶瓷的动态力学性能进行了研究,得到了材料在较高应变率范围内的动态应力应变曲线。结果表明,Al2O3陶瓷为弹脆性材料,其动态应力应变呈非线性关系,在较高的应变率范围内,陶瓷材料的动态应力应变关系是应变率相关的;材料的初始弹性模量、破坏应力、破坏应变值随应变率的增大而增大。基于损伤力学的基本理论,给出了Al2O3陶瓷的一维损伤型线性弹脆性本构模型。根据SHPB实验结果确定模型中的参数,得到了Al2O3陶瓷应变率相关的损伤型动态本构方程。     

基于深度学习和细观力学的颗粒材料本构关系研究

颗粒材料的本构关系对岩土工程等众多领域至关重要. 不同于传统的唯象本构理论, 本文基于机器学习模型探索了一种细观力学理论指导下的数据驱动型颗粒材料本构关系预测方法. 根据Vogit均质化假设, 建立了小应变条件下颗粒材料应力?应变解析关系, 此关系唯一地确定了一组与颗粒材料本构行为相关的细观组构变量. 这些变量与反应颗粒材料宏观性质的主应力和主应变信息通过一系列离散元三轴压缩数值试验获得. 考虑到细观组构变量为内变量, 不能直接作为本构模型的输入. 本文基于有向图方法将颗粒材料微观结构信息隐式地包含在应力?应变的预测当中, 并采用门控循环单元(GRU)循环神经网络作为基础深度学习模型描述有向图中结点之间的映射关系. 通过将有向图从目标节点沿源节点展开, 整个应力?应变预测模型可由两个神经网络分别训练并组装而成. 将训练后的深度学习模型在全新的数据集上进行测试, 结果表明该训练策略能有效捕捉到颗粒材料在常规三轴任意加卸载, 等中主应力系数b的真三轴加载, 和等平均有效应力p的真三轴加卸载等复杂多轴加载工况下的应力?应变响应关系, 模型具有良好的内插和外推预测能力. 考虑到深度学习模型捕捉颗粒材料力学响应的能力及其开放式学习的特点, 充分结合数据驱动方法和理论本构模型可能是颗粒材料本构研究的一个重要方向.      

110甲基乙烯基硅橡胶材料参数的确定

应用INSTRON5544对110甲基乙烯基硅橡胶材料进行了单轴大变形压缩的力学特性测试。本文根据已有的Mooney-Rivilin模型和Yeoh模型的本构关系,采用泰勒级数展开的办法获得了基于小变形的本构关系表达式。利用本文所得本构关系,将实验数据进行了非线性拟合处理,得到了相应的Mooney-Rivilin模型和Yeoh模型的材料参数。拟合所得的名义应力-应变曲线与实测的名义应力-应变曲线吻合较好。利用非线性拟合所得的Mooney-Rivilin模型和Yeoh模型的材料参数,应用ABAQUS软件进行有限元分析计算。通过有限元的分析计算,验证了Mooney-Rivilin模型和Yeoh模型材料参数的正确性与可行性。     

PMMA材料的动态压缩力学特性及应变率相关本构模型研究

利用INSTRON万能试验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB)对PMMA试件在较宽应变率范围内进行了单轴压缩实验,研究加载应变率对PMMA材料力学性能的影响.利用扫描电子显微镜对回收的试样进行了显微观察,重点分析不同加载应变率下PMMA的微观损伤破坏模式.结果表明:随着应变率的增大,PMMA的流动应力显著地增加,且冲击加载条件下,峰值应力的应变率敏感性明显高于准静态;在准静态加载条件下,PMMA试样呈现明显的延性破坏特征,在动态加载条件下则表现为脆性破坏.最后,对PMMA材料的ZWT粘弹性本构模型参数进行了拟合,拟合结果与实验结果吻合较好,表明该本构模型能够较好地描述较宽应变率范围内PMMA材料的应力应变关系.     

饱和土中爆炸波传播问题的数值模拟

应用流体弹塑性力学的框架描述了爆炸荷载作用下饱和土介质的本构模型,包括体积压缩关系和强度关系。应用LS-dyna软件分析了三相饱和土介质中的爆炸波传播及其与结构的相互作用问题,并与先前完成的试验结果进行了对比,两者吻合较好。饱和土中爆炸波传播的一些特殊现象被重现,表明本构模型的描述是可行的。     

非饱和土力学理论的研究进展

回顾了非饱和土有效应力的发展,目前普遍认同采用两个应力变量来建立本构模型,且对基质吸力中毛细和粘吸两部分作用进行了阐述。分析了非饱和土强度问题,包括抗剪强度和抗拉强度。讨论了非饱和土的本构模型问题,包括基于净应力和基质吸力的弹塑性模型,基于Bishop有效应力和基质吸力的水力力学耦合弹塑性模型,以及双孔隙结构的模型。最后探讨了热力学方法和多孔介质理论在非饱和土中的应用,基于多孔介质理论在多场耦合条件下土体复杂的行为是当前值得研究的问题。     

颗粒土的亚塑性-塑性本构模拟

颗粒土在低应力区与高应力区的力学响应有较大的差别.低应力区的材料响应具有很强的密度依赖性,而在高应力区,则有显著的颗粒破碎效应.论文基于颗粒土压缩变形特性,将与颗粒破碎引起的土体压缩性的显著增大当作材料的塑性屈服,采用一个塑性势来描述.以亚塑性模型作为基础模型,描述低应力区的力学响应.两者结合建立了一个亚塑性-塑性本构模型框架,用于描述颗粒土在较宽广应力范围内的应力应变关系.     

CONSTITUTIVE MODELS AND HYPERGRAVITY PHYSICAL SIMULATION OF SOILS$^{\bf 1)}$

数值模拟和物理模拟是分析土体沉降和稳定性的主要手段. 本构模型作为描述土体应力应变关系的数学表达式, 是数值模拟的基础. 土体具有碎散性, 这一基本物理特性导致了其具有压硬性、摩擦性和剪胀性, 这是土的力学特性区别于金属的主要特征, 在土体的本构模型中必须反映这3个基本特性. 传统土力学将土体的变形和强度分离考虑, 分别采用弹性理论和基于刚塑性模型的极限平衡理论分析, 虽然应用广泛, 但由于不能全面地反映土的基本力学特性, 计算结果的精度常常难以满足定量分析的需要. 剑桥模型作为第一个全面反映压硬性、摩擦性和剪胀性的弹塑性本构模型, 实现了变形和强度的统一, 能较好地描述饱和正常固结黏土的应力应变关系, 被视为是现代土力学的开端; 统一硬化模型通过引入一个独特的硬化参数进一步发展了剑桥模型, 将适用范围扩大到超固结黏土. 作者认为, 未来岩土体本构模型研究的挑战是: 如何考虑岩土体在受力过程中土骨架相变与多场耦合, 以解决目前本构模型尚无法定量分析的能源、交通、环境和水利相关的重大岩土工程问题. 超重力物理模拟具有缩尺效应和缩时效应, 克服了常重力物理模拟中模型的应力水平低于原型的缺点, 特别适用于大尺度、长历时问题的模拟. 相较数值模拟, 超重力物理模拟的优势在于能够检验本构模型的合理性, 揭示本构模型无法描述的未知特性. 最后, 介绍了采用数值模拟和物理模拟联合分析大直径钢管桩水平受荷特性的工程案例.