使用主值空间表示的各向同性塑性本构方程

针对各向同性材料,在内变量为标量的假定下,应用张量函数表示定理给出了其塑性应变增量的不变性表示.它的3个不可约基张量取决于应力张量、相互正交且共主轴.建立3个基张量构成的张量子空间与三维主值空间的对应关系,将共主轴的张量采用笛卡尔坐标系中的矢量描述,矢量在不同坐标系下的分量均为张量的一组不可约不变量.定义塑性应变增量对应的矢量为内变量增量,使用张量函数表示理论得到,内变量演化方程除取决于应力对应的矢量和内变量本身外,还取决于应力增量在张量子空间中的投影,该投影就是应力对应矢量的增量,因此,本构方程归结为确定主值空间中矢量之间的关系.最后表明,三维主值空间与张量子空间中的流动法则是等价的.     

?????????Mohr-Coulomb???????????????

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.     

一种非局部弹塑性连续体模型与裂纹尖端附近的应力分布

本文提出一种非局部弹塑性连续体模型。在这个模型中,应力与弹性应变之间为非局部线性关系,而塑性应变与总应变历史相联系。对于形变理论,假定塑性应变张量与总应变偏量张量成比例,其比例因子是总有效应变的标量函数。将这一模型用于分析幂硬化弹塑性材料拉伸型裂纹尖端附近的应力场,利用经典断裂力学中所得的拉伸型裂纹尖端HRR奇性解的结果,在一维简化计算下导出了裂纹正前方的拉应力分布和最大拉应力的表达式,证明临界J积分准则可由非局部最大拉应力准则得到。用已有的实验数据计算了几种钢材在裂纹起始扩展时裂纹尖端附近的最大拉应力,发现其量级与晶格内聚强度相近。所得结果对于理解材料断裂过程的物理机理是有益的。     

弹性理论几类导数边界积分方程之间的变换关系

导数场边界积分方程通常难以应用，因为存在着超奇异主值积分的计算障碍。弹性理论中有几类不同的位移导数边界积分方程，本文采用算子δij和∈ij(排列张量)作用于这些导数边界积分方程，做一系列变换，原有的超奇异积分被正则化为强奇异积分获解。从而建立了这些位移导数边界积分方程之间的转换关系，它们均可以归结为自然边界积分方程。自然边界积分方程仅存在容易计算的Cauchy主值积分。自然边界积分方程分析可直接获得边界应力和位移导数。     

不同应力分量下广义开尔文模型粘性系数探讨

对不同应力分量下的广义开尔文模型应力应变关系进行了研究,推导了在不同应力分量下的广义开尔文模型的粘性应变增量计算式;通过对这些粘性应变增量计算式的比较分析,得到结论:对于线性粘弹性模型,当应力张量引起粘性变形的规律与应力偏量和球应力分别引起粘性变形的规律相同时,它们的系数满足关系式Ek/ηk=Gsk/ηsk=Kmk/ηmk;否则,这个关系式不成立.现有文献采用应力张量表示的粘性变形有限元计算式隐含假定了球应力与应力偏量产生的粘性变形规律相同.对于复杂的工程材料而言,这种假定并不总是合适的.这在工程问题粘性分析时值得注意.     

双材料基本解弹塑性边界元法

提出并研究采用双材料基本解的弹塑性边界元法,得到了内点应力公式中有关奇点塑性应变自由项的完整表达式,并利用非连续边界单元和非连续区域单元解决了当奇点位于界面上时该自由项难于确定,以及计算区域Cauchy主值积分的常塑性应变场法在与界面相连的奇异区域单元上无法实施的困难．采用双材料基本解的弹塑性边界无法针对双材料的结构特点,特别适于分析有关弹塑性双材料界面及界面裂纹问题．     

半无限空间重力隧洞洞室临塑状态分析

利用Mindlin给出的、半无限空间重力隧洞初始应力场下的完整应力解分析了洞室周边的应力分布规律,用数值方法计算出了最大压应力的位置;结合Mohr-Coulomb屈服条件,研究了洞室周边出现塑性点时洞室直径、围岩粘聚力、内摩擦角与相对埋深的关系,以便工程设计应用。     

一类有角点效应的塑性本构方程 Ⅰ.一般理论

本文从张量代数的观点提出了一类塑性本构方程,这类方程给出了塑性应变增量dε~p和立力增量dσ之间的一一对应关系。可证明,这类方程自然地表示出所谓的角点硬化模型。对这类塑性本构方程中的若干例子作了系统的表述。对塑性而言,应力的类时测度dσ=[(3/2)tr(dT~2)]~(1/2)和应变的类时测度dε=[(2/3)tr(de~p)~2]~(1/2),可用以有效地表示加载或应变的历史,其中dT是在Jaumann率意义下的偏应力增量,de~p表示塑性偏应变的增量。首先,把材料看成是初始各向同性的,但随着变形而变为各向异性。对这一情形,可以有效地应用Wang的对各向同性张量函数的表示定理。然而,在这情形中,各向异性是受到限制的。因此,这种理论应推广到初始及随后的一般各向异性起重要作用的情形。这样,把各向异性的屈服法则,如随动硬化、随动各向同性硬化以及其他一般无角点的各向异性硬化情形跟有角点硬化情形相结合就成为可能了。如引入自然时间测度dt,则理论可推广来表达跟自然时间有关的非弹性本构方程,如蠕变和/或粘弹性等。此外,如果同时引进自然时间测度和内部时间测度,即dt跟加dσ或dt跟dε的结合,则理论还可推广到同时跟自然时间和内部时间有关的非弹性本构方程,如粘塑性和/或动态塑性所需表达的情形。有些情形,还要考虑跟温度的     

奇性校正特解场法计算任意点应力和位移

本文将边界应力积分方程中的强奇性边界积分化为Ｃａｕｃｈｙ主值积分，证明了该主值积分的存在性，并给出它在变量替换中的比尺附加项显式；运用刚体位移法和单位应力场法将强奇性主子块和应力奇性系数矩阵表为同行副子块的线性组合，再配用极坐标变换和适当的数值求积计算各副子块。本法无论对平面问题还是空间问题，是光滑边界点、侧棱点还是角点，有限域或无限域，受载还是变温，都一概适用，而且可以扩展用来计算近边界点，公式统一，程序通用，数值效果良好。     

参变量变分原理求解土的变形模量与压缩模量间的关系

运用参变量最小势能原理推导了弹性及塑性状态下的土的变形模量与压缩模量间的关系,认为两者比值与土的内摩擦角Ф、泊松比μ及粘聚力c等土性指标有关,提出了塑性影响因子a及临界应力p^*的概念,指出当试验时土体应力大于土体的临界应力值时,变形模量与压缩模量的理论关系式应引入塑性影响因子a,从而克服了以往基于弹性理论得出的变形模量理论值远小于试验值的不足。     

A coupled elastoplastic-damage constitutive model with Lode angle dependent failure criterion

A coupled elastoplastic-damage constitutive model with Lode angle dependent failure criterion for high strain and ballistic applications is presented. A Lode angle dependent function is added to the equivalent plastic strain to failure definition of the Johnson–Cook failure criterion. The weakening in the elastic law and in the Johnson–Cook-like constitutive relation implicitly introduces the Lode angle dependency in the elastoplastic behaviour. The material model is calibrated for precipitation hardened Inconel 718 nickel-base superalloy. The combination of a Lode angle dependent failure criterion with weakened constitutive equations is proven to predict fracture patterns of the mechanical tests performed and provide reliable results. Additionally, the mesh size dependency on the prediction of the fracture patterns was studied, showing that was crucial to predict such patterns.     

EVALUATION OF DUCTILE FRACTURE CRITERIA IN A GENERAL THREE-DIMENSIONAL STRESS STATE CONSIDERING THE STRESS TRIAXIALITY AND THE LODE PARAMETER

This paper is concerned with evaluation of various ductile fracture criteria in a general three-dimensional stress state of stress triaxiality, the Lode parameter and the equiva- lent plastic strain to fracture. Evaluation is carried out by comparing fracture loci constructed by fracture criteria to experimental results of A12024-T351. Comparison demonstrates that the Modified Mohr-Coulomb criterion and a newly proposed criterion provide sufficient predictabil- ity of fracture strain. Moreover, evaluation is emphasized on the predicted cut-off value for stress triaxiality. The evaluation demonstrates that the Cockcroft-Latham, Brozzo, Oh, Ko-Huh and the new criteria coupled a reasonable cut-off value for ductile materials.     

Predicting ductile fracture of low carbon steel sheets: Stress-based versus mixed stress/strain-based Mohr–Coulomb model

Two distinct implementations of the Mohr–Coulomb failure model are used in conjunction with a non-associated quadratic plasticity model to describe the onset of fracture in low carbon steel sheets. The stress-based version corresponds to the original Mohr–Coulomb model in stress space. For the mixed stress/strain-based version, the Mohr–Coulomb failure criterion is first transformed into the space of stress triaxiality, Lode angle parameter and equivalent plastic strain and then used as stress-state dependent weighting function in a damage indicator model. Basic fracture experiments including tensile specimens of different notch radii and a punch test are performed to calibrate the material parameters of the respective models. Subsequently, the models are used to predict the crack initiation in a Hasek test and during the stamping of an anticlastic structure. Unlike for the calibration experiments, the loading history during stamping is highly non-linear. Both models can be calibrated with similar accuracy, but the strain-based model predicts the instant of onset of fracture with greater accuracy in the stamping experiment which is an advantage of the empirical damage accumulation rule.     

Effects of the stress state on plasticity and ductile failure of an aluminum 5083 alloy

The experimental and numerical work presented in this paper reveals that stress state has strong effects on both the plastic response and the ductile fracture behavior of an aluminum 5083 alloy. As a result, the hydrostatic stress and the third invariant of the stress deviator (which is related to the Lode angle) need to be incorporated in the material modeling. These findings challenge the classical J₂ plasticity theory and provide a blueprint for the establishment of the stress state dependent plasticity and ductile fracture models for aluminum structural reliability assessments. Further investigations are planned to advance, calibrate and validate the new plasticity and ductile fracture models.     

Undrained shear strength for K0{K}_{0}K0 overconsolidated clays K01)}K0

结合K0超固结土模型、旋转角K0\omegaK0公式、临界状态不排 水条件以及基于SMP的变换应力张量建立了不排水抗剪强度的统一表达 式;采用三轴压缩、三轴拉伸的应力洛德角K0\thetaK0、旋转角K0\omega K0建立了三轴压缩、三轴拉伸条件下的不排水抗剪强度公式;基于临界状态土力学,推导出了 平面应变条件下的应力洛德角K0\thetaK0、旋转角K0\omega K0的表达式,进而得到平面应变条件下的不排水抗剪强度公式. 分别采用三轴压缩、三轴拉伸 和平面应变条件下试验数据对所提出的不排水抗剪强度公式进行验证,预测结果和试验数据 的基本吻合表明了不排水抗剪强度公式的合理性.     

考虑混凝土塑性耗散的CDM-XFEM裂缝计算方法

混凝土结构在服役期间受外界载荷的影响容易产生裂缝, 导致结构刚度降低、构件承载性能衰退, 而采用准确的计算方法预测混凝土裂缝的发展是治理裂缝的基本前提, 也是保障结构安全的重要手段. 连续损伤力学方法(continuou damage method, CDM)能够描述微裂缝的扩展过程, 但不能表示离散的开裂面, 且存在网格诱导偏差及虚假应力传递的弊端, 扩展有限单元法(mechanics-extended finite element method, XFEM)能够描述宏观裂纹的扩展过程, 但不能反映微裂缝的动态扩展, 两者计算出的裂纹分布与实际差异均较大. 现有的CDM-XFEM方法已经能够模拟混凝土微裂缝及宏观裂缝发展的整个过程, 但忽略了宏观裂缝出现时混凝土产生的塑性应变, CDM与XFEM的能量转化过程欠缺平衡性. 因此, 本文重点考虑能量转化时的塑性耗散, 选取指数型函数为粘结裂缝的牵引-分离模式, 基于能量及应力等效的条件重新构建了CDM与XFEM之间的能量转化方程. 采用广义逆最小二乘法求解能量转化系数, 确定能量转化时的临界位移, 并给出了裂缝面水平集的更新算法及整体计算方法的程序流程. 以双切口混凝土受剪拉开裂试验为例, 采用多种裂缝计算方法与试验进行了对比. 结果表明, 采用考虑混凝土塑性耗散的CDM-XFEM方法算出的裂缝分布及拉力-张开位移曲线与试验结果差异最小, 说明采用考虑混凝土塑性耗散的CDM-XFEM计算方法能够更好地计算混凝土裂缝.      

含主应力轴旋转的土体本构关系研究进展

主应力轴旋转对岩土工程的影响日益受到人们的重视．本文从纯主应力轴旋转、纯应力洛德角变化、多种因素变化、排水与不排水等方面较全面地描述了含主应力轴旋转情况下土体的基本变形特性．对当前较有影响的含主应力轴旋转的土体本构模型（基于一般应力空间的土体本构模型、运动硬化模型、边界面模型、土体弹塑性应力应变关系的完全应力增量表述等等）进行了较为系统的评述．提出了合主应力轴旋转的实验研究中存在的核心问题与建立合主应力轴旋转的土体本构关系的根本途径．      

A ductile damage criterion at various stress triaxialities

The paper discusses the effect of stress triaxiality on the onset and evolution of damage in ductile metals. A series of tests including shear tests and experiments on smooth and pre-notched tension specimens was carried out for a wide range of stress triaxialities. The underlying continuum damage model is based on kinematic definition of damage tensors. The modular structure of the approach is accomplished by the decomposition of strain rates into elastic, plastic and damage parts. Free energy functions with respect to fictitious undamaged configurations as well as damaged ones are introduced separately leading to elastic material laws which are affected by increasing damage. In addition, a macroscopic yield condition and a flow rule are used to adequately describe the plastic behavior. Numerical simulations of the experiments are performed and good correlation of tests and numerical results is achieved. Based on experimental and numerical data the damage criterion formulated in stress space is quantified. Different branches of this function are taken into account corresponding to different damage modes depending on stress triaxiality and Lode parameter. In addition, identification of material parameters is discussed in detail.     

基于应力三轴度和罗德参数的6061和7075铝合金材料断裂失效分析

分别对6061铝合金和7075铝合金材料的缺口圆棒试件和凹槽平板试件进行准静态拉伸试验,并采用ABAQUS软件对拉伸过程进行数值模拟。模拟结果与试验测试结果吻合很好,验证了有限元模型的合理性和可靠性。通过有限元模拟,分别给出了不同试件的应力三轴度和罗德参数随等效塑性应变的变化曲线以及两种材料的失效轨迹,并对它们进行了分析讨论。结果表明:形状相同、材料性质不同的试件,应力三轴度的演化规律不同;材料的失效应变受应力三轴度和罗德参数的影响,并且不同性质的材料对罗德参数的敏感性不同。