一种适用于岩土的扩展强度及屈服准则

土壤材料是一种典型的摩擦型材料,然而天然岩石却具有一定的凝聚力,而金属材料则完全是凝聚型材料.在分析三种典型的材料强度准则表达式基础上,即SMP,Lade-Duncan以及广义Von-Mises准则,通过利用应力张量的不变量表达形式,提出了一种扩展准则即VML准则,该准则能够分别退化为上述3种典型准则.在偏平面上,新准则能够描述从曲边三角形到圆形在内的多种开口形态;在子午面上,采用幂函数作为破坏准则公式,能够描述静水压力对于强度特性影响的非线性性质.而对于土壤的屈服性质,岩土材料具有典型的压剪耦合特性,因此,为了描述剪切与等方向压缩两种路径下的体积耦合现象,采用水滴型屈服面作为屈服准则.对于偏平面上的截面形状,讨论了给定球应力下偏应力强度值的分布形式及特点,讨论了应力罗德角对于偏平面上强度曲线的凹凸性的影响.最后,通过多种材料的破坏与屈服试验成果,用所提新准则进行了验证.通过强度以及屈服特性测试对比,验证了所提VML准则的合理性.     

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.      

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.     

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.     

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在应用Mohr-Coulomb屈服条件时,由于中主应力不影响判别材料是否进入屈服,因此有关中主应力对Mohr-Coulomb材料屈服的影响性质关注较少.考虑Mohr-Coulomb屈服条件与应力路径相关性,本文采用Lode角或Lode数描述了偏平面上屈服性质的分区,对任意满足Mohr-coulomb屈服条件的应力状态,在保持其大、小主应力不变的条件下给出了中主应力在大、小主应力之间变化时的屈服轨迹,从而明确了中主应力对Mohr-Coulomb材料屈服性质的影响.     

一个改进的混凝土非线性双剪切强度准则

通过对混凝土、岩石等材料强度理论的分析研究,基于普遍形式强度理论及双剪切强度理论,考虑混凝土在多轴荷载作用下材料强度性质在π平面和拉伸压缩子午线上不同的变化规律,将混凝土的强度准则定义为两个较大主剪切应力平方和的函数;并考虑其对应剪切应力作用面上的正应力和静水压力的影响,推导了一个考虑中间主应力效应和复杂极限面情况的非线性双剪切强度准则;通过实验数据获得了相关参数。结果表明该强度准则可以较好地描述混凝土材料的破坏特性。     

立方晶体单晶材料屈服面的研究

将Hill屈服准则用于DD3镍基单晶合金屈服应力的预测，通过与试验结果比较发现，在760℃时的误差较大，根据立方单晶材料的屈服特点，用正应力偏张量平方与剪应力偏张量平方乘积项构成的应力不变量考虑单晶合金偏轴受载时存在的拉、剪应力耦合效应，提出了一个在工程上实用的新屈服准则．在新屈服准则中出现的参数可以通过单向拉伸试验确定，给出了确定这些参数的方法，并重新定义了适合新屈服准则的等效应力和等效应变，对各向同性材料，新屈服准则退化为Von Mises屈服准则，新定义的等效应力和等效应变退化为Von，Mises等效应力和等效应变，用新屈服准则对国产DD3单晶合金的屈服应力进行预测，能很好地符合试验结果；与Hill屈服准则比较，在760℃时的预测精度显提高。     

失效准则在广义Mohr空间的表示及应用

在广义的Mohr空间研究材料的破坏和屈服(失效)，找到了主应力空间和广义Mohr空 间中失效曲面的变换，以及适用于所有失效准则的应力和失效面法向的普适相容关系. 对于 双剪强度理论，根据它在广义Mohr空间的表示，将之归于最大偏应力理论一类.     

强度理论百年总结

自从1900年著名的Mohr-Coulomb强度理论建立以来,已有100年的历史.在20世纪,关于材料在复杂应力状态下的强度理论进行了大量的理论研究和实验研究工作.本文对材料(包括金属材料、岩石、土、混凝土、冰、铁、聚合物、含能材料等)在复杂应力状态下强度理论(屈服准则、破坏准则等)的百年发展进行了总结,讨论了各种准则之间的关系,为研究和工程应用中的合理选择破坏准则提供了一种方法.文中还总结了三大系列强度理论、统一屈服准则、统一强度理论和其他各种强度理论,并简述了强度理论的计算机实施,以及多轴疲劳等问题.     

MY准则解析复合型裂尖塑性区

首次以MY(平均屈服)准则对I-II复合型裂纹在小范围屈服下的裂尖塑性区进行了分析,分别获得了平面应力和平面应变状态下塑性区尺寸的解析解。这两解表明,塑性区尺寸是材料屈服强度、应力强度因子、极角θ的函数。与Tresca准则、TSS屈服准则获得的解以及Mises解比较表明:Tresca准则预测塑性区上限,TSS屈服准则预测塑性区下限,MY准则预测的塑性区居于Tresca与TSS塑性区之间,逼近Mises解。另外,文中讨论了平面应力和平面应变状态下裂纹尖端的开裂问题,结果表明:当裂纹角β=π4时,平面应力状态下裂纹沿0-θ=0.2952π方向开裂;平面应变状态下裂纹沿0-θ=0.3188π方向开裂。     

复杂加载下混凝土的弹塑性本构模型

混凝土材料在不同应力路径下或复杂加载条件下会表现出差异性显著的应力应变关系,在小幅循环加载条件下,其应力应变关系会表现出类似于弹性变形的滞回曲线.在不同应力水平下,混凝土的应力应变关系以及破坏特性都具有静水压力相关特点,即随着静水压力增大,各向异性强度特性弱化.此外,混凝土受压及受拉破坏机理不同,因而对应于混凝土硬化损伤亦有不同,即可分为受压硬化损伤,受拉硬化损伤及两者的混合硬化损伤类型.基于Hsieh模型,对该模型进行了三点改进.（1）针对小幅循环加载下混凝土无塑性变形的试验规律,而模型中在应力水平较低的循环加载条件下始终存在塑性变形的预测问题,采用在边界面模型框架下,设置了应力空间的弹性域,初始屈服面与后续临界状态屈服面几何相似的假定.（2）基于广义非线性强度准则将原模型采用变换应力方法将其推广为三维弹塑性本构模型,采用变换后模型可合理的考虑不同应力路径对于子午面以及偏平面上静水压力效应形成的影响,并避免了边界面应力点奇异问题.（3）分别对拉压两种加载损伤模式建议了相应的硬化参数表达式,可分别用于描述上述加载中产生的应变软化及强度退化行为.基于多种加载路径模拟表明:所建立的三维弹塑性本构模型可合理地用于描述混凝土的一般应力应变关系特性.      

基于S准则发展的混凝土动态多轴强度准则

通过对经典强度理论或准则的强度参数分析,将强度参数转化为由混凝土的单轴压缩和单轴拉伸强度表示,结合S准则给出的混凝土单轴强度的率效应规律,得出了强度参数受应变率影响的率效应函数,进而将常用的静态多轴强度准则摩尔-库伦强度理论、松岗-中井强度理论、德鲁克-普拉格强度理论、拉得-邓肯强度准则和胡克-布朗强度准则发展为动态多轴强度准则.利用混凝土动态单轴压缩和动态单轴拉伸试验结果统计分析给出的S准则率效应参数,分析了5种强度准则中强度参数随应变率的变化规律以及取值范围.基于混凝土单轴压缩和单轴拉伸强度,分别给出了5种强度准则在子午面、偏平面和平面应力条件下的强度曲线与主应力空间中的强度曲面,对比分析了5种强度准则间的异同,以及每种强度准则随应变率的变化规律.利用混凝土材料的动态双轴和动态真三轴强度试验结果,分析评价了5种动态多轴强度准则,并且阐述了各动态多轴强度准则的应变率适用范围.德鲁克-普拉格强度理论与试验结果相差甚远,不适于描述混凝土材料的强度规律.动态双轴加载时,在拉压区各强度准则差别不大,都可较好地描述试验规律;在压压区各强度准则差别较大,松岗-中井强度理论与试验结果吻合最好.在动态真三轴比例加载时,摩尔-库伦强度理论和胡克-布朗强度准则无法考虑中主应力的影响;松岗-中井强度理论和拉得-邓肯强度准则都可较好地描述试验规律.      

广义非线性强度理论在岩石材料中的应用

在已提出的广义非线性强度理论的基础上，结合岩石材料的力学特性，建立了岩石广 义非线性强度理论，该理论在$\pi$平面上的破坏函数为介于SMP准则和Mises准则 之间的光滑曲线，在子午面上的破坏函数为幂函数曲线. 通过已有不同岩石的真三 轴试验数据对岩石广义非线性强度理论的验证表明，岩石广义非线性强度理论可以 广泛地适用于各类岩石，描述其$\pi$平面上及子午面上的非线性强度特性；并利 用5种不同类型岩石的真三轴试验结果对岩石广义非线性强度理论和Hoek-Brown准 则进行比较,反映了所提岩石广义非线性强度理论的优越性.     

砂土的应力路径本构模型

将微元应力路径线性逼近，转变成与其充分接近且易于计算应变的等平均应力微元和等应力比微元，计算任意加荷应力路径所产生的塑性应变，建立了双屈服面的砂土应力路径本构模型．模型体现了岩土塑性理论分量屈服和非关联流动法则的要求，在p，q平面内根据双线性的屈服线确定了加卸载准则．结合广义非线性强度理论采用变换应力三维化方法简单、合理地使模型实现三维化．通过试验数据的验证表明，砂土应力路径本构模型可以合理地描述各种应力路径下砂土的变形和强度特性。     

NONLINEAR UNIFIED STRENGTH MODEL OF GEOMATERIALS

将材料的破坏归结为剪切破坏,每种材料对应于特定的剪切滑动面,抗剪强度为滑动面上正应力的函数,基于不同材料的强度特性将一系列的剪切滑动面统一起来,建立了岩土材料的非线性统一强度模型.非线性统一强度模型的滑动面为β应力空间内的等倾面,在β应力空间内的强度面为圆锥面;在普通应力空间内的强度面为一系列连续光滑、外凸的锥面,在偏平面上强度曲线涵盖了从下限Matsuoka-Nakai曲线到上限Drucker-Prager圆之间的所有区域,子午面上强度线为直线.非线性统一强度模型只有3个材料参数,参数都具有明确的物理意义,通过与国内外学者已取得的岩土类材料真三轴强度试验结果的比较,表明模型可适用于多种类型的材料,并合理描述其非线性强度特性.     

岩土材料的非线性统一强度模型

将材料的破坏归结为剪切破坏,每种材料对应于特定的剪切滑动面,抗剪强度为滑动面上正应力的函数,基于不同材料的强度特性将一系列的剪切滑动面统一起来,建立了岩土材料的非线性统一强度模型.非线性统一强度模型的滑动面为β应力空间内的等倾面,在β应力空间内的强度面为圆锥面;在普通应力空间内的强度面为一系列连续光滑、外凸的锥面,在偏平面上强度曲线涵盖了从下限Matsuoka-Nakai曲线到上限Drucker-Prager圆之间的所有区域,子午面上强度线为直线.非线性统一强度模型只有3个材料参数,参数都具有明确的物理意义,通过与国内外学者已取得的岩土类材料真三轴强度试验结果的比较,表明模型可适用于多种类型的材料,并合理描述其非线性强度特性.      

弹塑性材料的平面应力非连续分岔

基于平面应力非连续分岔特性的一般描述,运用统一强度理论,得出了非相关流动情形的弹塑性材料平面应力非连续分岔的起始方位角以及相应的最大硬化模量的统一解析解,并且分析了材料拉压异性以及不同程度的中间应力对结果的影响,进而发现所得的结果一强度准则的选取有关,揭示了在分岔研究中正确选取符合材料特性的强度准则的重要性。最后,同特线理论比较发现平面应力剪切带型非连续分岔同平面应力特征线重合。     

Modelling inelastic behaviour of orthotropic metals in a unique alignment of deviatoric plane within the stress space

A finite strain constitutive model to predict the deformation behaviour of orthotropic metals is developed in this paper. The important features of this constitutive model are the multiplicative decomposition of the deformation gradient and a new Mandel stress tensor combined with the new stress tensor decomposition generalized into deviatoric and spherical parts. The elastic free energy function and the yield function are defined within an invariant theory by means of the structural tensors. The Hill’s yield criterion is adopted to characterize plastic orthotropy, and the thermally micromechanical-based model, Mechanical Threshold Model (MTS) is used as a referential curve to control the yield surface expansion using an isotropic plastic hardening assumption. The model complexity is further extended by coupling the formulation with the shock equation of state (EOS). The proposed formulation is integrated in the isoclinic configuration and allows for a unique treatment for elastic and plastic anisotropy. The effects of elastic anisotropy are taken into account through the stress tensor decomposition and plastic anisotropy through yield surface defined in the generalized deviatoric plane perpendicular to the generalized pressure. The proposed formulation of this work is implemented into the Lawrence Livermore National Laboratory-DYNA3D code by the modification of several subroutines in the code. The capability of the new constitutive model to capture strain rate and temperature sensitivity is then validated. The final part of this process is a comparison of the results generated by the proposed constitutive model against the available experimental data from both the Plate Impact test and Taylor Cylinder Impact test. A good agreement between experimental and simulation is obtained in each test.