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.     

考虑微裂纹相互作用的的岩石微观力学弹塑性损伤模型研究

本文建立基于微裂纹扩展的岩石弹塑性损伤微观力学模型。用自洽方法考虑裂隙间相互影响,压缩载荷下微裂纹尖端翼裂纹稳定扩展表征岩石的微观损伤,基于应变能密度准则用Newton迭代法求复合型断裂的翼裂纹扩展长度,并采用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,反映塑性内变量对硬化函数的影响;建立岩石的弹塑性损伤本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制了弹塑性损伤模型的程序。从围压和微裂隙长度等因素分析弹塑性损伤模型的岩石的损伤和宏观塑性特性。     

弹塑性耦合和广义正交法则

用塑性增量理论表述岩石、土、混凝土及某些复合材料的本构性质时,必须考虑这些介质的如下特点:(1)应变软化性质;(2)弹性系数随塑性变形的发展而变化,这称为弹塑性耦合;(3)塑性势函数与屈服(或加载)函数不同,通常称之为非关联流动规律。对上述的岩土类介质,在刚性试验机上做试验,可以得到包括强化阶段和软化阶段的全部应力应     

基于塑性体积应变的岩石损伤变形特性实验研究

为分析岩石塑性变形与损伤的关系,在定义岩石的初始损伤和临界损伤,提出塑性体积应变分析方法,从而以塑性体积应变为损伤变量,采用归一化方法建立岩石的损伤本构模型。采用递增循环加载实验确定岩石损伤本构模型中的弹性卸载模量和弹性应变比例系数两个参数。通过实验和理论分析得出:当荷载较小时,普通单轴压缩状态下岩石损伤随荷载的增加具有减小趋势,荷载超过一定数值后,岩石损伤才开始增加;单轴递增循环压缩状态下当循环荷载大于约35%峰值强度后,卸载后岩石的损伤具有增加的趋势,小于该荷载之前具有减小的趋势。整个加载过程的理论应力-应变曲线能很好地与实验结果相吻合,在循环加载区间理论结果还能体现出岩石实验结果中的回滞环。     

不同屈服准则下的强化规律表示法

<正> 1.不同屈服准则下等向强化规律设在单向拉伸时的屈服应力σ随塑性应变(?)~p 变化时的强化规律表示为σ=σ_(?)+H((?)~p),H(0)=0 (1)在线性强化时可表示为     

含瓦斯煤的破坏和流动法则

讨论了含瓦斯煤破坏形式及相应的破坏条件,以应变分量表示应力分量建立了关联于Drucker-Prager准则和Lagrange准则的正则流动法则,考虑了剪切屈服和拉伸破坏两种状态之间的转换。剪切屈服后的流动是双向的,而拉伸破坏后流动是单向的;对于剪切屈服和拉伸破坏后的流动,应变变化路径不同,应变增量与应力增量之间的关系也不同;应力增量与应变增量的关系,不能由几个方程简捷地表示,需要用流程才能表达。     

需要考虑材料泊松比的某些塑性力学问题

本文例举了用测应变值确定受拉扭的薄壁管外载,受内压的封闭薄壁圆管在比例加载下的应变分量比值,以及平面应变条件下的三种初始屈服准则,说明对于这些塑性力学问题考虑材料真实泊松比 v 的必要性.     

基于能量变化的微尺度金属应变突变准则研究

微尺度金属在塑性变形过程中呈现出显著的应变突变特性。本文以力加载条件下单晶Ni微米柱体和位移加载下Au纳米柱体为对象，探讨应变突变的判定准则与不同特征阶段的判别条件。首先从经典塑性理论Hill稳定性条件出发，分析微柱体变形过程中的动能变化，提出了应变突变发生与结束的判定准则。进一步分析柱体变形过程中的内能变化，结合动能变化的分析结果，给出了微尺度金属不同变形阶段的判别条件。通过与文献中实验与理论结果对比发现，基于动能变化的应变突变判定准则能够判断应变突变的发生与结束，基于能量变化的判别条件可以有效区分微柱体的不同变形阶段。最后对新理论准则的可靠性与适用性进行了讨论。     

汽车薄钢板应力应变曲线及屈服轨迹的研究

采用十字形双向拉伸的实验方法对两种汽车用薄钢板BH220和SPEN进行了不同 加载路径下的双向拉伸试验，得到了不同应力状态下的应力应变关系曲线，同时，根据单位 体积塑性功相等的原则，确定了两种钢板等效塑性应变从0.2\%$\sim$2\%的实验屈服轨迹. 结果分析表明：不同加载路径下板料的应力应变关系不同，随着加载比例由单拉到等双拉状 态，板料的硬化指数逐步增大；实验屈服轨迹呈外凸性，且以等双拉为界的上下部分屈服轨 迹不对称，随着变形程度的增加，屈服轨迹向外扩大，但单拉时强化程度最小，而等双拉 时最大. 对BH220和SPEN钢板的实验屈服轨迹与几种常用理论屈服轨迹的比较发现，Hosford各向 异性屈服准则的理论轨迹与实验结果最为接近，Hill48准则与实验结果相差最大，此外一 向被视为只适用于各向同性材料的Mises准则与实验结果也较为接近，其他几个屈服准则的 理论屈服轨迹与实验点相差较大.     

应变强化模型的安定准则研究

基于Melan经典的安定理论和von Mises屈服准则,建立了塑性应变强化条件下结构安定的数学模型,根据与时间无关的应力场的特性,对结构中与时间无关的应力场进行了合理的数学变换,将其与载荷变化系数联系起来,推导出与其对应的结构安定极限范围的表达式,给出塑性应变强化模型安定性存在的简化条件.该结论有利于简化应变强化条件下结构的安定分析.     

含水率及围压对砂岩蠕变特性影响的试验研究

在荷载作用下,岩石不仅表现出弹性和塑性,而且具有与时间相关的性质,即岩石的流变性。工程实践中,岩石流变现象随处可见,岩石流变所造成的危害也不容忽视。但目前在岩石含水率及围压对其流变特性影响研究仍不完善。本文采用岩石三轴压缩流变仪开展了不同含水率及围压条件下的砂岩压缩蠕变试验。试验发现,围压越大,砂岩的蠕变量越小;但当围压达到一定值后,围压对蠕变量的影响降低;砂岩含水率越高,瞬时应变越大,破坏时应变越大,长期强度越低;瞬时应变和破坏时应变均与含水率呈线性关系,长期强度与含水率呈负指数关系。     

化学腐蚀后砂岩三轴压缩力学特性及其能量机制的试验研究

为研究不同化学溶液对砂岩力学性质及能量特征的影响,采用不同的水化学溶液对砂岩试样进行腐蚀,利用WDT-1500多功能材料试验机对化学腐蚀后饱和状态与自然状态的试样进行常规三轴压缩试验。试验结果表明:化学腐蚀后砂岩试样的强度及其抗变形能力呈现不同程度的劣化;化学腐蚀后砂岩试样的峰值应变小于相同围压下自然状态试样的峰值应变,与单轴压缩条件下不同,这可能是由于围压和化学溶液共同作用的结果;砂岩试样的似软化系数与围压之间呈现负相关性,同时,其降低速率随着围压的增加而降低。砂岩试样峰值前吸收的能量绝大部分是以可释放弹性应变能Ue形式储存下来的,而化学腐蚀后砂岩试样以Ue形式储存下来的能量占其总吸收应变能的百分比却有所下降;同时,围压与试样的可释放应变能/应变能比值之间呈负相关性,而与耗散能/应变能比值存在正相关性;岩石脆性指标修正值呈现不同程度的增加,试样的脆性减弱延性增强,即塑性变形增加,塑性变形与耗散能之间具有很好的线性特征。溶液的pH值、浓度和化学成分对砂岩试样峰值处各部分应变能的影响显著。     

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。     

巷道围岩塑性状态判定分析方法

本文依照莫尔-库仑屈服条件和非关联流动准则, 从地应力场及地下巷道开挖工程特点出发, 提出对围岩塑性屈服状态进行判定的方法。对无支护巷道和水泥锚杆支护巷道围岩进行有限元分析表明, 巷道开挖以后及时支设锚杆, 对出现塑性屈服的围岩起到了等效提高其刚度和强度的作用, 从而增加了围岩稳定性。与现场实测结果对比说明, 非关联流动准则比关联流动准则更符合实际。     

岩石试件端面摩擦效应数值模拟研究

试件端面摩擦效应直接影响试件内的塑性等效应变、侧向位移的分布和单元应力应变曲线。本文运用ANSYS中的接触单元模拟了平面应变状态下端面摩擦效应对塑性等效应变、侧向位移和单元应力应变曲线的影响,得到了不同摩擦系数时塑性等效应变及侧向位移的渐进变化形式。当接触面摩擦较小时,塑性等效应变图案为上下两个X形网络,侧向位移上下分布均匀;当接触面摩擦增大时,塑性等效应变网络向中部靠拢并且明显增大,侧向位移上下分布不均匀,中部较上下端面位移大;当试件端面侧向位移被限制,即摩擦力很大时,塑性等效应变网络变为一个X形局部化带,侧向位移分布更加不均匀,中部明显隆起。     

固态高聚物的屈服和塑性变形行为

固态高聚物屈服和塑性变形的固体力学研究主要包括两个方面:①研究这类材料产生屈服和塑性变形的条件及其具体的行为特征;②从整体上分析其应力应变行为,力求建立起相应的本构关系方程。本文将对这一领域的研究发展状况作一述评,并简要介绍我们最近取得的一些成果。内容包括屈服变形的现象与特征,屈服准则,取向材料的变形行为,热激活塑性变形理论,材料的本构方程,以及我们提出的粘弹塑性理论模型与本构方程。      

位移加载条件下微小尺寸单晶金属的应变突变模型及其间歇性塑性变形行为研究

微压缩实验发现,微小尺度单晶金属柱体在塑性变形过程中会发生显著的应变突变,呈现出特殊的间歇性塑性流动特征。本文以数百纳米直径的单晶Au柱体为研究对象,探讨其在位移加载条件下的间歇性流动行为。首先根据位移加载条件下的塑性变形特征,提出了分析其应变突变的三阶段模型。进一步结合经典晶体塑性理论框架的有限元方法,建立了以二阶功参量为基础的连续塑性力学模型。通过与实验结果相对比发现,新模型能够较好地描述位移加载条件下微小尺度面心立方单晶金属材料的应变突变现象,能够合理预测单晶柱体的特殊变形行为。此外,二阶功准则作为位移加载条件下应变突变现象的判据是有效的。进而使用该理论模型,探讨了微小金属柱体应变突变随机性、尺寸相关性以及率敏感性等问题。     

结合内时理论研究岩石衰减与应变振幅的关系

本文将解决复杂弹塑性问题的有效工具内时理论,引入到岩石衰减的研究中来。根据内时理论,简要推导了在中等应变条件下,岩石衰减与应变振幅的用非弹性参数α表示的具体关系式。在MTS压机上,对砂岩、花岗岩等多种岩石样品进行了一系列的循环加卸载实验。利用应力应变滞回曲线的面积,根据衰减的能量损耗的定义,计算了各种实验条件下的岩石样品的衰减值。实验数据表明,在各次循环平均应力相等的条件下,岩石样品的衰减随应变振幅的增加而增加,与内时理论的推导结果相一致。最后,对表示岩石非弹性的参数α进行了简要的讨论。砂岩的α值较为稳定,在0.5左右;而花岗岩的α值变化较大,但二者都随着应力的增加而增加。该实验结果对地震波在地球介质中的衰减研究有一定的参考意义。     

强震作用下考虑岩石塑性应变梯度的地下隧道失稳分析

本文首先引入岩石塑性应变梯度理论，地下隧道受开挖的影响，岩石的原岩应力重新分布，靠近隧道岩石变形局部化，往往出现塑性变形区，作者进一步论证了，靠近隧道岩石在建立地下震动作用下的数学力学模型时须考虑塑性应变梯度，进而从地下隧道弹塑性区内抽象出一个单元体，这个单元体在地震横波作用下受力状态必须是纯剪应力状态，并假设岩石的力学本构关系为双线性，建立了单元体在地震横波作用下受力状态必然是纯剪应力状态，并假设岩石的力学本构关系为双线性，建立了单元体数学力学模型，推导出软化区的宽度为α（α＝2πl)，基于上述，最后解决了地下隧道失稳破坏的力学机理。     

基于OTTOSEN准则的混凝土粘塑性力学模型

研究了混凝土的弹．粘塑性动态本构关系,提出一个应变率相关的非线性混凝土模型．模型改进Bicanic的混凝土塑性间断面变化规律和Ottosen的四参数屈服准则,建立冲击荷载下的混凝土本构方程,可以应用于地震和爆炸作用下混凝土材料响应的研究．根据混凝土动态实验结果对应变率和材料强度的关系提出合理假设,考虑以往被忽略的材料峰值应变和泊松比随应变率的变化．模型包含静水压力参数和动态塑性损伤因子,可以有效地反映混凝土的动态力学行为,为其动态问题的研究提供有益的思路和有效的工具．