微磁检测应力和塑性区的磁弹塑耦合理论

金属磁记忆微磁检测方法, 利用铁磁材料局部磁性状态的变化, 进行应力集中或塑性区域位置及程度的检测与评价. 面向微磁信号的定量理论分析可对其工程领域应用提供重要指导. 本文介绍铁磁材料微弱环境磁场下的磁弹塑性本构进展, 及其在微磁信号分析方面的应用. 力磁本构关系方面, 针对微磁检测弱磁化条件, 基于有效场理论构建了受弹塑性载荷铁磁材料的理想磁化本构的显式解析式, 并结合接近原理分析了恒定外加微弱磁场下应力-应变对材料磁化强度的影响. 检测信号分析方面, 基于弹性力学理论、静磁学理论和新建立的磁弹塑性本构关系, 建立并求解了微弱磁场下铁磁试件中弹性应力或塑性区诱导的表面磁信号的二维分析模型. 结合实验结果证实其在刻画弹塑性因素对微磁信号影响规律方面的能力, 并详细分析了微磁信号的特征量与局部弹性应力或塑性区的尺寸间的相关关系. 相比已有力磁本构关系, 本文建立的显式解析形式的理想磁化更加简洁, 有助于提升对力磁耦合效应的定量化理解和应用.      

弹塑性板壳结构非线性有限元分析

本文根据塑性流动理论的基本公式，由隐式积分导出了与路径无关的变量更新算法和一致切线模量。采用单元广义应力应变直接离散塑性流动定律，构造了杂交应力单元一致切线刚度矩阵的显式表达式，编制了结构有限元程序ＳＡＦＥ，数值算例表明：本文的计算方法和计算程序是正确可靠的，可用于弹塑性板壳结构的非线性分析，计算结果屈曲临界载荷和极限承载能力。     

内蕴时间塑性理论及其新进展(续)

三、内蕴时间塑性理论的一些基本概念和本构方程本节首先分别从经典塑性理论与内时理论的基本观点出发,对Drucker在其奠基性论文[46]中用过的一维力学模型的塑性响应特性进行分析比较,以便用简洁的方式阐述内时理论的某些最基本的概念,并说明经典模型可作为内时模型的一种理想化情况而得到。接着评述广义时间在固体力学中引入的概况和笔者最近提出的耗散型材料本构方程的形式不变性定律。然后根据这一定律首先得到了Valanis(1971)提出的小变形小变温下内时弹塑性本构方程的显式。接着研究了塑性应变偏张量的欧几里得模作为内时测度定义时的内时本构方程的特性,特别是讨论了它与经典塑性理论之间的关系。然后引入了含弱奇异性的内时本构方程。最后讨论了Valanis与笔者最近提出的新型弹塑性内时本构方程。      

混凝土黏塑性动力损伤本构关系

从静力弹塑性损伤本构关系的基本框架出发, 综合考虑塑性应变与损伤 演化的率敏感性, 建立了能够较为全面地描述混凝土在动力加载条件下非线性性能的混凝土 黏塑性动力损伤本构模型. 为了考虑塑性应变的率敏感性, 基于Perzyna理论推导了有效应 力空间黏塑性力学基本公式, 采用改进的Perzyna型动力演化方程, 将损伤静力演化方程推 广到动力加载情形. 基于并联弹簧模型, 从概率论的角度推导给出了一维损伤静力演化方程, 并基于能量等效应变的基本概念将其推广到多维损伤演化. 利用数值模拟, 计算得到了 混凝土在不同应变率下的应力应变全曲线, 同时得到了一维动力提高因子和二维动力强度包 络图, 数值结果与试验结果的对比表明了该模型的有效性.     

准脆性材料的弹塑性各向异性损伤耦合本构模型研究

针对准脆性材料的非线性特征：强度软化和刚度退化、单边效应、侧限强化和拉压软化、不可恢复变形、剪胀及非弹性体胀,在热动力学框架内,建立了准脆性材料的弹塑性与各向异性损伤耦合的本构关系。对准脆性材料的变形机理和损伤诱发的各向异性进行了诠释,并给出了损伤构形和有效构形中各物理量之间的关系。在有效应力空间内,建立了塑性屈服准则、拉压不同的塑性随动强化法则和各向同性强化法则。在损伤构形中,采用应变能释放率,建立了拉压损伤准则、拉压不同的损伤随动强化法则和各向同性强化法则。基于塑性屈服准则和损伤准则,构建了塑性势泛函和损伤势泛函,并由正交性法则,给出了塑性和损伤强化效应内变量的演化规律,同时,联立塑性屈服面和损伤加载面,给出了塑性流动和损伤演化内变量的演化法则。将损伤力学和塑性力学结合起来,建立了应变驱动的应力-应变增量本构关系,给出了本构数值积分的要点。以单轴加载-卸载往复试验识别和校准了本构材料常数,并对单轴单调试验、单轴加载-卸载往复试验、二轴受压、二轴拉压试验和三轴受压试验进行了预测,并与试验结果作了比较,结果表明,所建本构模型对准脆性材料的非线性材料性能有良好的预测能力。     

蠕变－弹塑性－损伤耦合响应的有限元分析

本文处理各向异性非线性材料的蠕变。弹塑性－损伤耦合响应的数值计算。建议了一个计算应力的三级向后欧拉积分算法。导出了一个利用Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ迭代的一般的直接应力返回映射算法。同时求解应力向量和蠕变、塑性、损伤的内状态变量。也导出了用于全局Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈ－ｓｏｎ迭代过程的一致性切线矩阵公式。给出的数值例题结果表明所提出的算法和公式在模拟耦合本构行为上的能力和可靠性。     

压缩载荷作用下岩石的细观损伤和塑性研究

建立岩石微裂纹扩展的细观力学模型,研究了岩石的细观损伤和塑性性质.压缩载荷下微裂纹尖端翼裂纹稳定扩展表征岩石的细观损伤,采用应变能密度准则求解复合型断裂的翼裂纹扩展长度,微裂隙统计的二参数Weibull函数模型反映绝对体积应变对微裂纹分布数目影响,进而用翼裂纹扩展所表征的应力释放体积和微裂纹数目来表示含有微裂隙的岩石损伤演化变量;宏观塑性屈服函数采用Voyiadjis等的等效塑性应变的硬化函数,反映了塑性内变量对硬化函数的影响;建立岩石模型的本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制了模型的本构程序.分析弹塑性损伤模型的围压对岩石损伤的影响,并从围压和短微裂隙长度等因素分析模型的岩石的损伤和宏观塑性特性.     

蠕变—弹塑性—损伤耦合响应的有限元分析

本文处理各向异性非线性材料的蠕变－弹塑性－损伤耦合响应的数值计算。建议了一个计算应力的三维向后欧拉积分处，导出一个利用Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ迭代的一般的直接应力返回映射算法。同时求解应力向量和里面变、塑性、损伤的内状态变量。也导出了用于全局Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ迭代过程的一致性切线矩阵公式。给出的数值例题结果表明所提出的算法和公式在模拟耦合本构行为上的能力和可靠性。     

岩体结构面非线性弹性-塑性软化本构模型研究

在总结评述现有岩体结构面本构模型的基础上,将非线性弹性模型和弹塑性模型结合起来,并采用起伏角磨损演化方程来定量描述结构面的磨损软化,建立了岩体结构面非线性弹性-塑性软化本构模型.利用新建立的模型对岩体结构面直剪试验进行了预测,模型预测结果与试验结果吻合良好,验证了模型的有效性和模拟能力.该模型概念清晰,参数易于确定,能够合理描述岩体结构面的非线性变形、塑性软化、弹塑性耦合、剪胀和磨损等主要力学特性.     

解Drucker-Prager塑性问题的二阶锥互补法

基于经典弹塑性理论中多数屈服准则具有凸锥数学结构的事实,将在大规模计算中更具潜力的锥规划法引入弹塑性分析。考虑到弹塑性流动理论有关联与非关联之分,本文提出利用锥型互补法求解弹塑性问题。具体以Drucker-Prager弹塑性模型为例,首先利用最大塑性功耗散原理和圆锥对偶理论等工具,建立了弹塑性本构方程的等价二阶锥互补模型;然后,基于参变量变分原理和有限元技术,建立了弹塑性增量分析的二阶锥线性互补模型;最后,利用一类半光滑Newton算法求解。数值算例表明了本文方法的有效性。     

考虑损伤效应的正交各向异性板的弹塑性静动力分析

基于弹塑性力学和损伤理论,建立了一个与应力球张量有关的正交各向异性材料的混合硬化屈服准则,该准则无量纲化后与各向同性材料的Mises准则同构,进而建立了混合硬化正交各向异性材料的增量型弹塑性损伤本构方程和损伤演化方程.基于经典Kirchhoff板理论,获得了正交各向异性薄板的增量型运动控制方程,且采用有限差分法和迭代法进行求解.数值算例中,讨论了损伤演化、外载荷参数等因素对正交各向异性薄板弹塑性静动力性质的影响,数值结果表明,考虑结构的损伤和损伤演化时,结构的力学性质将发生显著的变化.     

含损伤材料的热粘塑性本构关系和柱壳破裂研究

以含内变量的本构关系理论为基础 ,结合材料损伤演化方程 ,并考虑了温度和损伤对材料参数的影响 ,得到了增量形式的热粘塑性本构关系的普适显式表达式。然后使用Bodner幂函数型粘塑性模型 ,具体推导了其增量形式的热粘塑性本构方程。接着结合在实践中有重要意义的内部爆炸载荷作用下的柱壳破裂问题 ,建立了含损伤热粘塑性柱壳破裂问题的完备方程组 ,使用有限差分方法 ,完成了对问题的数值模拟 ,并对结果进行了分析。计算结果与实验结果符合良好。     

高温条件下混凝土墙体的非线性分析研究

本文建立了一个弹塑性-损伤耦合本构模型用于数值模拟高温下混凝土的真实破坏过程。导出了一个利用Newton-Raphson迭代的一般的直接应力返回映射算法。同时求解应力向量和塑性、损伤的内状态变量。并推导了用于化学-热-湿-力学耦合分析的全局守恒方程Newton-Raphson迭代过程的一致性切线模量矩阵。建议了一个用于弹塑性-损伤耦合分析的两级求解过程。给出的数值例题结果显示了所提出的数法和公式的正确性,表明了所发展的弹塑性-损伤耦合本构模型在模拟高温下混凝土墙体中复杂破坏过程的能力。     

索网天线的参变量变分及非线性有限元方法

针对大型周边桁架式索网天线由拉索拉压模量不同引起的本构非线性和结构大变形引起的几何非线性问题,给出了基于参变量变分原理的几何非线性有限元方法. 首先针对含预应力索单元拉压模量不同分段描述的本构关系,通过引入参变量,导出了基于参变量及其互补方程的统一描述形式,避免了传统算法需要根据当前变形对索单元张紧/松弛状态的预测,提高了算法收敛性. 然后利用拉格朗日应变描述索网天线结构大变形问题,结合几何非线性有限元法,建立了基于参变量的非线性平衡方程和线性互补方程;并给出了牛顿-拉斐逊迭代法与莱姆算法相结合的求解算法. 数值算例验证了本文提出的算法比传统算法具有更稳定的收敛性和更高的求解精度,特别适合于大型索网天线结构的高精度变形分析和预测.      

THE PARAMETRIC VARATIONAL PRINCIPLE AND NON-LINEAR FINITE ELEMENT METHOD FOR ANALYSIS OF ASTROMESH ANTENNA STRUCTURES

针对大型周边桁架式索网天线由拉索拉压模量不同引起的本构非线性和结构大变形引起的几何非线性问题,给出了基于参变量变分原理的几何非线性有限元方法. 首先针对含预应力索单元拉压模量不同分段描述的本构关系,通过引入参变量,导出了基于参变量及其互补方程的统一描述形式,避免了传统算法需要根据当前变形对索单元张紧/松弛状态的预测,提高了算法收敛性. 然后利用拉格朗日应变描述索网天线结构大变形问题,结合几何非线性有限元法,建立了基于参变量的非线性平衡方程和线性互补方程;并给出了牛顿-拉斐逊迭代法与莱姆算法相结合的求解算法. 数值算例验证了本文提出的算法比传统算法具有更稳定的收敛性和更高的求解精度,特别适合于大型索网天线结构的高精度变形分析和预测.     

基于牛顿-拉夫逊的拉压不同模量问题的数值求解

针对拉压模量不同引起的材料本构非线性,首先,通过引入改进的Heaviside函数将本构方程连续光滑化;然后,基于特征值与特征向量的求导策略,推导有限元求解模型中切线刚度矩阵的列式;最终,提出基于牛顿-拉夫逊迭代格式的拉压不同模量问题的数值求解算法。数值算例验证了本文算法比传统算法具有更稳定的收敛性和更高的求解精度,特别适合于工程分析中大规模计算问题的求解。     

黏塑性本构计算的稳定性分析

提出本构方程计算方法的稳定性问题,针对黏塑性本构计算的显式精确算法的稳定性进行分析,发现该算法并非无条件稳定,使用小扰动方法给出了其计算稳定的必要条件,稳定性条件对数值计算中的时间步长提出限制要求。通过有限元算例验证了分析的正确性,计算结果也表明理论推导得到的稳定性公式能够准确预测满足计算稳定性条件要求的最大时间步长与各参数之间关系。     

基于牛顿-拉夫逊的拉压不同模量问题的数值求解

针对拉压模量不同引起的材料本构非线性,首先,通过引入改进的Heaviside函数将本构方程连续光滑化;然后,基于特征值与特征向量的求导策略,推导有限元求解模型中切线刚度矩阵的列式;最终,提出基于牛顿-拉夫逊迭代格式的拉压不同模量问题的数值求解算法。数值算例验证了本文算法比传统算法具有更稳定的收敛性和更高的求解精度,特别适合于工程分析中大规模计算问题的求解。     

脆塑性厚壁壳体的稳定条件

一、脆塑性结构稳定问题的损伤面扰动提法脆塑性模型是考虑了介质损伤与应变软化特性的弹塑性本构关系的一种简化形式(图2)。它适用于描述岩石类介质的本构性质。脆塑性结构稳定问题的求解一方面是确定结构中应变软化区即损伤域的扩展规律,一方面是计算临界载荷。在图1所示的脆塑性结构中,S_u为支承边界,S_T为力边界。     

弹性、弹塑性材料显式模拟计算中的准静态加载速度研究

摘 要：动力学显式算法采用时间积分原理，其较静力学隐式算法在强非线性问题中的适用性更广。为将此方法应用到岩土等非线性材料的计算中，考虑到显式算法中动能的影响会导致结果波动，分析动力学显式算法在模拟计算中的准静态加载速度的选取十分必要,如何在缩短模拟消耗时间与结果准确性之间寻求平衡是本文研究重点。研究中提出以加载-位移曲线的波动比来评价准静态计算效果，首先开展弹性材料的平面应变模拟试验以分析弹模、密度、泊松比、围压4个参数对准静态加载速度取值的影响，结果表明：弹模、泊松比、围压的增大会提高准静态加载速度；密度的增大则会减小准静态加载速度。通过对各影响因素与准静态加载速度的相关性分析给出了准静态加载速度取值的经验公式。最后，选取能够反映砂土复杂力学特性的弹塑性本构模型，开展其平面应变模拟试验，对比分析准静态加载速度经验公式在弹性材料与弹塑性材料中的适用性差异，并提出应用建议公式。