等p路径十砂土本构关系的归一化特性及数值建模方法

用神经网络对土体进行建模能反映应力路径相关性、反映土的剪胀剪缩以及反映体应力、剪应力对体应变、剪应变的交互影响,因而成为一种比较理想的建模方式.能否在样本有限的情况下获得精度比较高的本构模型正是主要的研究目的.通过研究中密砂在等p路径下的三轴试验曲线,发现其应力-应变关系曲线在常规应力范围内具有归一化特性.选择合适的归一化指标对砂土三轴试验数据进行归一化,以归一化的试验数据为训练样本进行神经网络训练,得到了比较理想的砂土的神经网络本构模型.本构模型仿真值与试验值符合较好,表明所给出的建模方法是合理的.提出的建模方法可以在所有试验数据的基础上自动实现概率寻优,能有效降低噪声信号的干扰、减小试验数据的分散造成的影响.     

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。     

基于临界状态的砂土本构模型研究

砂土孔隙比及所受压力是其力学特性的重要影响因素. 本文基于砂土临界状态线特性分析,采用以e-(p/p_a)ξ平面内的线性关系描述其等向压缩线. 通过对比分析两种不同压缩线函数 与临界状态线函数之间的关系提出更适合描述砂土在等向压缩下的参考压缩线,并给出了基于参考压缩线的等向硬化规律. 建议了适用于 描述砂土剪切特性的屈服面函数,并给出利用等向压缩和等p路径确定屈服面形状参数μ的方法. 将不同应力比对应的压缩线作为砂土状态参量参考线,以获取潜在强度M_f与特征状态应力比M_c,进而描述砂土压缩与剪切特性;基于等向压缩与等p路径建立了当前应力比与状态参量参考线之间的相关关系,从而实现了砂土状 态参量参考线由参考压缩线向临界状态线平稳过渡. 建立的砂土本构模型共11个参数,均能够通过常规土工试验或经验获取. 基于模型预测与Toyoura砂的等向压缩、三轴不排水剪切试验及排水剪切试验的对比结果,本文建立的砂土本构模型很好地描述了Toyoura 砂在不同孔隙比和不同压力下的压缩与剪切特性.      

基于临界状态的砂土本构模型研究

砂土孔隙比及所受压力是其力学特性的重要影响因素.本文基于砂土临界状态线特性分析,采用以e-(p/p_a)~ξ平面内的线性关系描述其等向压缩线.通过对比分析两种不同压缩线函数与临界状态线函数之间的关系提出更适合描述砂土在等向压缩下的参考压缩线,并给出了基于参考压缩线的等向硬化规律.建议了适用于描述砂土剪切特性的屈服面函数,并给出利用等向压缩和等p路径确定屈服面形状参数μ的方法.将不同应力比对应的压缩线作为砂土状态参量参考线,以获取潜在强度M_f与特征状态应力比M_c,进而描述砂土压缩与剪切特性;基于等向压缩与等p路径建立了当前应力比与状态参量参考线之间的相关关系,从而实现了砂土状态参量参考线由参考压缩线向临界状态线平稳过渡.建立的砂土本构模型共11个参数,均能够通过常规土工试验或经验获取.基于模型预测与Toyoura砂的等向压缩、三轴不排水剪切试验及排水剪切试验的对比结果,本文建立的砂土本构模型很好地描述了Toyoura砂在不同孔隙比和不同压力下的压缩与剪切特性.     

屈服准则及切线模量修正的弹塑性计算模型

为提高不同应力状态下金属弹塑性行为的模拟精度,采用含应力三轴度修正的von Mises屈服准则,材料弹塑性本构关系在等效应力$\!$-$\!$-$\!$等效应变曲线基础上,提出一个切线模量为主应力函数的理论修正项. 将这两个修正项结合,以子程序形式编程嵌入ABAQUS主程序,以此模拟几种不同形状试样的弹塑性行为,并将其他屈服准则在单一曲线假设下编程与之对比. 模拟结果与真实试验结果对比发现,对于屈服而言,含应力三轴度修正的vonMises屈服准则比其他屈服理论准确;对于弹塑性阶段计算而言,提出的切线模量为主应力函数这一假设比单一曲线假设更加接近真实试验.      

考虑围压效应的冻结砂土动态本构模型研究

为描述主动围压作用下冻结砂土的动态力学特性，通过在朱-王-唐模型的非线性体上串联塑性体，建立了能够考虑围压效应的冻结砂土动态损伤本构模型；分析了损伤参数对应力-应变曲线特征、屈服点、峰值应力和峰值应变的影响规律，基于冻结砂土动力学试验数据确定了模型参数；通过将模型和试验数据进行对比，并对不同试验条件下模型的预测误差进行分析，验证了模型的适用性和准确性。结果表明，损伤参数对应力-应变曲线弹性阶段和屈服点无明显影响，而对塑性阶段和破坏阶段的影响较为显著，本构模型预测的应力-应变曲线与试验结果具有较好的一致性。模型能够预测围压引起冻结砂土塑性阶段占比大和屈服点明显的特征，且能够描述围压对冻结砂土动态强度的增强效应；不同负温和主动围压条件下，模型对峰值应力和屈服强度的预测效果优于峰值应变和屈服应变。     

一种初始各向异性砂土本构模型的数值应用及试验验证

基于砂土颗粒的毛细效应特性制备砂土试样,在0°～90°范围内选取若干沉积方向,在中围压条件下进行三轴固结排水剪切试验。试验表明:沉积方向对试样强度和变形特性有显著影响。通过对试验数据进行拟合得到沉积方向和偏应力的关系,结合试验结果对Mohr-Coulomb屈服准则进行修正,建立一种密砂初始各向异性本构模型;对本构模型进行数值积分,并对密砂固结排水剪切试验进行数值模拟,分析偏应力、体积变化以及主应力方向的变化。将数值分析结果与试验结果进行对比,结果表明:二者相吻合,本构模型能够合理地预测试验结果。所建立的本构模型可用于砂土初始各向异性的研究工作中。     

π平面上原状土的空心扭剪试验

为了通过空心扭剪试验获得原状土在π 平面上的屈服特性，在分析空心扭剪试验仪加载过程和加载特点的基础上，研究了空心圆柱试样可实现的应力状态，并设计了相应的加载路径．与重塑试样不同，原状土样的初始应力状态位于K0 固结线上而不是等倾线上，因此，其加载路径应从原点开始沿K0 固结线行至原始应力状态，然后再在π 平面上进行以初始应力为起点的等p 试验．在考虑原状土的初始应力状态和各项异性的基础上，针对具有不同主应力方向角的平行试样，给出了等p 条件下保持主应力方向角不变的加载路径实现方法，采用该方法可得到任意平均主应力时π 平面上六分之一范围内的屈服曲线，该范围对应于大主应力方向角从-45o~45o．本文设计的加载方案可完成真三轴试验的部分功能，但经济成本相对较低，操作方法简单易行．     

制样方法对初始各向异性砂土三轴剪切力学特性的影响研究

基于砂土颗粒的毛细效应特性和冻融试验原理,提出一种砂土试样制备方法,能够在0°~90°范围内任意选取沉积方向,且适用于不同颗粒级配的试样。在中围压条件下进行三轴固结排水剪切试验,研究结果表明,毛细效应、冻融相结合的制样方法能够减缓压缩剪切试验的应力–应变关系增长速度,降低试样的抗剪峰值强度,对残余强度的影响相对较弱。在其他应力路径条件下,例如拉伸、减压压缩、等应力压缩等试验中,可以不考虑装样方法的影响。建议的制样方法能够合理应用到砂土初始各向异性的研究工作中。     

INFLUENCE OF SAMPLE PREPARATION TECHNOLOGY ON SHEAR BEHAVIOR OF INHERENT ANISOTROPIC SAND IN TRIAXIAL TESTS 1)

基于砂土颗粒的毛细效应特性和冻融试验原理,提出一种砂土试样制备方法,能够在0°~90°范围内任意选取沉积方向,且适用于不同颗粒级配的试样。在中围压条件下进行三轴固结排水剪切试验,研究结果表明,毛细效应、冻融相结合的制样方法能够减缓压缩剪切试验的应力-应变关系增长速度,降低试样的抗剪峰值强度,对残余强度的影响相对较弱。在其他应力路径条件下,例如拉伸、减压压缩、等应力压缩等试验中,可以不考虑装样方法的影响。建议的制样方法能够合理应用到砂土初始各向异性的研究工作中。     

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.     

轴、侧向同卸荷下砂岩力学特性影响的试验研究

本文以实际岩体工程为背景,利用WDT-1500 仪器开展了轴向、侧向同时卸荷条件下砂岩的三轴试验. 结果表明:轴、侧向同卸荷这种卸荷路径下,砂岩试样破坏时并没有出现应力峰值,为了定义试样的破坏强度,将最大与最小主应力差随最小主应力的变化关系曲线上应力跌落的拐点处的应力值定义为破坏强度. 砂岩变形初始段发生应力跌落和轴向应变回弹,破坏前无明显的弹性和屈服阶段;试验的过程中,砂岩的侧向变形明显大于轴向变形,其体积应变一直处于膨胀状态;相对于砂岩的常规三轴试验结果,试样破坏时的强度在轴向、侧向同时卸荷条件下有所降低. 初始轴压和初始围压对试样的力学特征有十分显著的影响,但围压的卸荷速率却并不显著. 砂岩的破坏特征主要是以张-拉为主的混合张剪的破坏.      

耦合条件下大脑皮层神经振子群的能量函数

探讨了局部脑皮层网络活动中,耦合条件下的大规模神经振子群的能量消耗与神经信号编码之间的内禀关系,得到了神经元集群在阈下和阈上互相耦合时神经元膜电位变化的函数. 这个能量函数能够精确地再现神经电生理学实验中的EPSP,IPSP,动作电位以及动作电流. 最近功能性核磁共振实验证明了神经信号的编码是与能量的消耗紧密地耦合在一起的,因此研究结果表明利用能量原理研究大脑在神经网络层次上是如何进行编码的这一重大科学问题的讨论是十分有益的. 可以预计得到的能量函数将是生物学神经网络动力学稳定性计算的基础.      

Neurodynamics analysis of brain information transmission

This paper proposes a model of neural networks consisting of populations of perceptive neurons, inter-neurons, and motor neurons according to the theory of stochastic phase resetting dynamics. According to this model, the dynamical characteristics of neural networks are studied in three coupling cases, namely, series and parallel coupling, series coupling, and unilateral coupling. The results show that the indentified structure of neural networks enables the basic characteristics of neural information processing to be described in terms of the actions of both the optional motor and the reflected motor. The excitation of local neural networks is caused by the action of the optional motor. In particular, the excitation of the neural population caused by the action of the optional motor in the motor cortex is larger than that caused by the action of the reflected motor. This phenomenon indicates that there are more neurons participating in the neural information processing and the excited synchronization motion under the action of the optional motor.     

动脉压对静脉血管壁周向应力分布的影响

自体静脉是病变动脉管段常用的替代物。移植后因承受压力急剧升高引起的静脉管壁应力改变是影响移植手术的主要因素之一。为了比较移植前(静脉压作用下)和移植后(动脉压作用下)静脉管壁的周向应力分布，本文通过检测一定轴向伸长比条件下静脉管的p(压力)——V(容积)试验数据，利用3参数的应变能密度函数对实验数据进行拟合，进而求得静脉管壁的残余应力和沿血管壁的周向应力分布。对狗的股静脉和颈静脉的分析结果表明，在动脉压作用下静脉管壁周向应力将急剧增大。与处于静脉压环境相比，处于动脉压环境中的颈静脉管周向应力将增大差不多2个数量级。计算结果还显示，静脉管壁残余应力的数值虽然比动脉管壁的相应值小很多，但是与动脉管相同，血管壁残余应力依然对静脉管壁上的周向应力分布影响显著，残余应力的存在将大大削弱在静脉管内壁处的周向应力集中，使周向应力沿静脉管壁厚的变化梯度明显减小。     

异常天气条件下潮位过程神经网络补遗预测方法的研究

以异常天气条件下的实测潮位过程为研究对象,根据其为非平稳时间序列的特点,以人工神经网络BP算法作为预测工具,对潮位时间序列中缺失的数据进行补遗建立:差分方法人工神经网络模型;同一海域邻近潮汐测站潮位过程对应预测的去平均值法人工神经网络模型;对增减水现象潮汐过程预测的气象资料数据库人工神经网络模型。以实测资料验证上述方法的可行性,并取得了很好的预测结果。     

Linear normal stress under a wheel in skid for wheeled mobile robots running on sandy terrain

Wheeled mobile robots are often used on high risk rough terrain. Sandy terrains are widely distributed and tough to traverse. To successfully deploy a robot in sandy environment, wheel-terrain interaction mechanics in skid should be considered. The normal and shear stress is the basis of wheel-soil interaction modeling, but the normal stress in the rear region on the contact surface is computed through symmetry in classical terramechanics equations. To calculate that directly, a new reference of wheel sinkage is proposed. Based on the new reference, both the wheel sinakge and the normal stress can be given using a quadratic equation as the function of wheel-soil contact angle. Moreover, the normal stress can be expressed as a linear function of the wheel sinkage by introducing a constant coefficient named as sand stiffness in this paper. The linearity is demonstrated by the experimental data obtained using two wheels and on two types of sands. The sand stiffness can be estimated with high accuracy and it decreases with the increase of skid ratio due to the skid-sinkage phenomenon, but increases with the increase of vertical load. Furthermore, the sand stiffness can be utilized directly to compare the stiffness of various sandy terrains.     

在体轴向伸长比条件下血管壁的周向应力分布

本文通过检测在体轴向伸长比条件下血管段的压力－容积数据,利用应变能密度函数,求得血管壁周向应力沿壁厚的分布。文章的正常大鼠腹主动脉为例进行计算,结果发现,在生理压力作用下（例如ｐ＝１３．３ｋＰａ）,不考虑残余应力确实出现在血管内壁处的周向应力集中,血管内、外壁处的应力值之比可达１５左右,而存在于实际动脉管中的残余应力会使血管壁中的周向应力沿壁厚的分布明显趋于均匀,血管处的周向应力之比差不多只有２左