复杂应力状态下岩土材料非线性本构模型研究

基于统一强度理论,将洛德参数引入统一强度理论,推导出材料的统一强度参数,进而分析中间主应力以及主剪应力系数对材料统一强度参数的影响。在此基础上,对邓肯张双曲线模型进行改进,使得该模型能够反映复杂应力状态下的应力应变关系。采用粘土的平面应变试验进行验证,结果表明:在平面应变情况下,当b=0.4时,模型能够较好地反映粘土的应力应变关系,及其强度参数。分析了洛德参数以及中间主应力系数对模型的影响,进一步说明岩土材料存在主应力效应。该模型能够反映不同材料在复杂应力状态下的应力应变关系,有其更为广泛的适用性。     

土的应力-应变关系的一种描述模式

通常将由土的剪切试验测得的应力-应变关系曲线(q～ε1曲线)分为应变硬化型和应变软化型,文中提出了一种能同时描述应变硬化型q～ε1曲线和应变软化型q～ε1曲线的新模式,并导出了统一的切线模量表达式,进一步探讨了该应力-应变关系曲线描述模式在拟合应变硬化型曲线时的简化形式,及简化形式中参数取值方法和参数与围压的关系等方面的问题。通过与邓肯-张模型和应变软化模型的对比,结果表明该应力-应变关系曲线描述模式能更好地与试验数据吻合,且用其简化形式拟合应变硬化型曲线时,可以通过调整其中一个参数值来表达出不同的曲线形式,从而体现出土体应力-应变关系的多样性。该应力-应变关系描述模式为发展更一般的非线性弹性模型提供了一定的理论基础。     

形状记忆合金伪弹性行为模拟

基于对伪弹性形状记忆合金(SMA)典型应力-应变曲线的特征分析,在原Graesser本构模型中增加简洁多项式来描述SMA应力诱发马氏体相变完成后在变形马氏体相下继续加载阶段的变形特征;并引入应变幅值与混相下SMA弹性模量的关系来改进不同应变幅值下卸载时SMA的应力-应变关系,从而提出了一种新的SMA一维本构关系模拟其伪弹性力学行为。该模型对直径为0.5mm的NiTi合金丝的拉伸加载、卸载试验曲线的模拟结果表明:改进本构模型与原Graesser模型相比,其能够准确地模拟SMA在不同应变幅值下加载和卸载应力-应变关系。此外,通过研究SMA本构模型的物理关系,推导出了控制SMA滞回曲线特征的关键参数fT与相变临界应力、弹性常数之间的明确关系,可利用该关系直接确定参数fT,摆脱了只靠试算获取该参数的传统做法,其准确性得到了试验验证。     

黄土损伤与流变耦合模型及参数研究

以试验为基础,对不同含水量Q3黄土的蠕变特征进行了分析研究,结合黄土结构损伤特性及其对黄土力学特征影响,通过考虑结构损伤对变形模量的劣化来反映黄土结构性对蠕变规律的影响,提出了黄土损伤与流变耦合作用的本构模型。该模型不仅具有参数少的优点,而且能够准确描述黄土的突发性破坏特征。利用结构性软土流变的研究成果,给出了黄土流变模型参数的确定方法,并对模型参数随非饱和黄土含水量变化的规律进行了研究。数值模拟结果表明,该模型能够很好地描述黄土的加速蠕变阶段的变形特征。     

马兰黄土的应力-应变本构方程

依据马兰黄土的室内CU试验,运用土力学的相关理论,建议性地提出了马兰黄土的应力-应变本构方程。通过对不同围压下的试验结果(应变小于15%)与理论模型的拟合发现,二者吻合较好。另外,与以往的模型相比,本文的模型参数a和b只需通过一次常规三轴试验即可全部求得,具有参数少、容易确定的优点。     

黄土路堑边坡变形破坏机理的三轴试验研究

通过原状黄土的减压三轴压缩试验,研究了黄土边坡不同深度不同含水量土体的应力-应变关系,并与原状黄土的常规三轴试验结果进行了比较,发现减压三轴试验能合理地模拟和解释开挖卸荷作用下黄土边坡土体的变形与破坏过程。试验结果表明:坡脚开挖卸荷时,黄土边坡中浅层非饱和黄土易出现应变软化或塑性流动,强度较低,易产生较大变形,而深层饱和黄土仅在高围压下发生应变硬化,强度增加,在中低围压时均发生应变软化现象。分析认为黄土边坡特殊的工程地质条件,使得黄土边坡的特定部位在开挖卸荷作用下常形成了不利于土体稳定的含水量和围压组合,导致坡体特定部位的土体变形破坏,进而诱发边坡的变形破坏;开挖卸荷作用下黄土边坡变形破坏的力学机制应为蠕滑-压致拉裂或"牵引式滑坡"。     

基于介观结构的饱和与非饱和多孔介质有效应力

基于描述含液颗粒材料介观结构的Voronoi 胞元模型和离散颗粒集合体与多孔连续体间的介-宏观均匀化过程, 定义饱和与非饱和多孔介质有效应力. 导出了计及孔隙液压引起之颗粒体积变形的饱和多孔介质广义有效应力. 用以定义广义有效应力的Biot 系数不仅依赖于颗粒材料的多孔连续体固体骨架及单个固体颗粒的体积模量(材料参数),同时与固体骨架当前平均广义有效应力及单个固体颗粒的体积应变(状态量) 有关. 提出了描述非饱和多孔介质中非混和固体颗粒、孔隙液体和气体等三相相互作用的具介观结构的Voronoi 胞元模型.具体考虑在低饱和度下双联(binary bond) 模式的摆动(pendular) 液桥系统介观结构. 导出了基于介观水力-力学模型的非饱和多孔介质的各向异性有效应力张量与有效压力张量. 考虑非饱和多孔介质Voronoi 胞元模型介观结构的各向同性情况,得到了与非饱和多孔连续体理论中唯象地假定的标量有效压力相同的有效压力形式.但本文定义的与确定非饱和多孔介质有效应力和有效压力相关联的Bishop 参数由基于三相介观水力-力学模型, 作为饱和度、孔隙度和介观结构参数的函数导出,而非唯象假定.      

循环荷载下岩石阻尼行为的试验研究

为了深入地了解岩石的阻尼特性,利用WDT–1500多功能材料试验机,对砂岩、砾岩和砂砾岩进行了循环荷载试验,研究了岩石的动剪切模量和阻尼参数对应力、应变幅值和应力水平的响应特性,得到了动弹性模量和阻尼参数随应力幅值、应力水平及含水率的变化规律,讨论了其变化机理。证实了双曲线关系能够描述分级循环荷载作用下岩石的应力-应变关系,得到了动剪切模量和阻尼比与动应力、动应变之间的关系,建立了不同应力水平和不同应力幅值条件下岩石的动剪切模量与阻尼比关系模型,结果表明该模型能够描述分级循环荷载过程中阻尼行为。     

地下化学爆炸地运动信号关联探索

分析了弹性区域中应力传播的波动方程,说明该应力传播过程可以使用线性系统模型进行描述。根据系统辨识领域的脉冲响应方法,建立了应力测点的脉冲序列与源函数和响应序列之间的关系。在此基础上,建立了各测点间应力序列之间的关联响应模型,给出了采用神经网络的自适应优化方法求解关联参数的方法,并采用某次黄土介质中化学爆炸的实验数据进行了验证。将该模型用于测点数据的预测,预测值和实测值之间的误差很小。这表明,各测点间存在与测量数据无关的客观联系,仅由实验中爆炸源、测点位置和地介质力学参数分布等所决定。     

应力波在线性磁滞体中的衰减

通过对爆炸在岩石中产生的应力波的物理分析,判断岩石应力应变关系的磁滞效应可能是应力波在岩石中衰减的主要物理机制.在线性磁滞模型下,用拉氏变换和渐近展开方法,求得应力波传播的解析解.特别是得到了应力波头以方式衰减的应力波的特解.这种解所具有的一系列特性(波形自相似,波形特征,走时和半衰期的关系,动力学和运动学参量的峰值等)与实践观测结果及已有经验公式有相当好的一致性.并表明衰减指数l仅由磁滞参数α和参数Q确定,Q为无量纲应力波头导数的绝对值.因此,这个模型可作为进一步分析物理机制和建立经验公式的基础.     

一种孔隙介质力学模型及在水泥基材料的应用

基于细观力学和断裂力学的基本理论提出一个新的分析模型, 对孔隙介质的力学性能进行了分析. 依据孔隙介质内部孔隙的几何描述和状态参数,如孔隙率、形状、尺度及分布等,通过等效夹杂理论获得孔隙介质的等效本构方程,其最终变量为应力、应变和孔隙的形态参数. 根据断裂理论中材料承受载荷作用下破坏增长过程中的能量守恒,对孔隙介质变形过程中机械能、弹性应变能和载荷提供的势能进行分析, 根据能量守恒定律建立能量守恒方程,其最终变量也为应力、应变和孔隙的形态参数. 根据等效本构方程和能量守恒方程,获得孔隙介质承受载荷作用下的应力应变关系. 最后将该力学模型应用于水泥基材料,计算水泥基材料的力学性能并与文献中的结果进行对比分析,结果显示模型的计算结果准确有效.      

基于应变脉冲响应协方差的损伤识别方法研究

基于振动参数的结构损伤识别,是近年来土木工程的热点研究课题,振动参数包括频率、振型、频响函数、模态应变能、应变响应和加速度响应等,当结构损伤时,损伤位置附近将产生应力重分布,从而引起应变的变化,因此对比损伤前后的应变或者应变响应参数,可以用来识别结构损伤.提出了一种应变脉冲响应协方差参数,它是应变脉冲响应在时间区间上的能量积分;推导并证明了该参数是结构模态参数(频率,位移模态,应变模态,阻尼等)的函数,可用来表征结构状态.相比于传统的模态参数识别方法,可以保留更高阶的模态参数,而且避免了模态识别可能引起的误差;基于简支钢梁的多种损伤工况,研究和展示了该参数的特性,通过数值模拟发现,该参数能简单直观地判定损伤发生和识别损伤位置,无需建立结构分析模型,只需比较结构损伤前后的应变脉冲响应协方差参数即可;该参数简便易算,具有较好的抗噪性能,对结构损伤敏感,而且对结构刚度减少呈现一致变化特性,所以适合实际工程结构的健康监测和损伤识别.     

FRACTIONAL ORDER MODELLING OF THE CUMULATIVE DEFORMATION OF GRANULAR SOILS UNDER CYCLIC LOADING

To model the cumulative deformation of granular soils under cyclic loading, a mathematical model was proposed. The power law connection between the shear strain and loading cycle was represented by using fractional derivative approach. The volumetric strain was characterized by a modified cyclic flow rule which considered the effect of particle breakage. All model parameters were obtained by the cyclic and static triaxial tests. Predictions of the test results were provided to validate the proposed model. Comparison with an existing cumulative model was also made to show the advantage of the proposed model.     

中子辐照金属材料的脆化模型研究

金属材料的辐照脆化问题一直以来都是核能安全领域亟待解决的关键问题之一.为了更准确地预测金属材料的辐照脆化行为,基于Johnson-Cook本构模型,将未辐照金属材料的断裂真应力取作辐照材料的断裂真应力,建立了通过辐照退火态金属材料屈服强度就能够预测其整个真应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线,以及断裂真应变的辐照脆化模型.实验研究了不同中子剂量辐照退火态高纯铝的准静态拉伸真应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线、断裂真应力和断裂真应变随辐照剂量的变化规律.结果表明,辐照剂量越高,高纯铝的屈服强度越高,断裂真应变越低,但断裂真应力几乎不变.通过TEM显微分析获得了高纯铝内部辐照缺陷的尺寸和数密度随辐照剂量的变化规律,结果表明,辐照剂量越高,孔洞的尺寸和数密度越高,但位错环尺寸和数密度始终很小,难以准确统计.由辐照高纯铝实验数据拟合得到了辐照脆化模型所需参数,并检验了该模型的预测效果.结果表明,无论是通过实验还是显微分析得到辐照高纯铝的屈服强度,模型的预测结果均能够与实验结果较好地吻合,且模型对退火态高纯铝临界中子剂量的预测值也与文献结果一致.      

ELASTO-PLASTIC CONSTITUTIVE MODEL OF SOIL-STRUCTURE INTERFACE IN CONSIDERATION OF STRAIN SOFTENING AND DILATION

The behavior of soil-structure interface plays a major role in the definition of soil-structure interaction. In this paper a bi-potential surface elasto-plastic model for soil-structure interface is proposed in order to describe the interface deformation behavior,including strain softening and normal dilatancy. The model is formulated in the framework of generalized potential theory,in which the soil-structure interface problem is regard as a two-dimensional mathematical problem in stress field,and plastic state equations are used to replace the traditional field surface. The relation curves of shear stress and tangential strain are fitted by a piecewise function composed by hyperbolic functions and hyperbolic secant functions,while the relation curves of normal strain and tangential strain are fitted by another piecewise function composed by quadratic functions and hyperbolic secant functions. The approach proposed has the advantage of deriving an elastoplastic constitutive matrix without postulating the plastic potential functions and yield surface. Moreover,the mathematical principle is clear,and the entire model parameters can be identified by experimental tests. Finally,the predictions of the model have been compared with experimental results obtained from simple shear tests under normal stresses,and results show the model is reasonable and practical.     

激光诱导变形条件下10#钢本构方程的建立

针对靶材在激光诱导不变形的热力学特点，设计了一套宏观力学性能实验方案，考虑温升率、温度、应变率及其历史效应对10#钢力学性能的影响，在此基础上，提出和发展了一组新的一维本构方程，它能描述文中实验所反映出的各种宏观力学规律。