基于t准则的各向异性强度准则及变换应力法

岩土材料通常呈现出成层水平分布特点, 即可将其视为横观各向同性材料, 横观各向同性对于岩土材料的变形以及强度值都会产生显著的影响. 基于已提出的t强度准则, t强度准则是基于各向同性单元体中存在有效滑移面来构建的, 并根据该空间有效滑移面上主剪应力与主法向应力的比值达到一定阈值为破坏条件. 在空间中存在有效滑移面与物理沉积面, 基于上述两个面在空间的位置关系, 用两面夹角作为表征横观各向同性对剪切强度影响程度的参量, 并假定当该夹角值越大, 则各向异性对强度贡献程度越大, 对应更大的应力比强度值, 反之, 则对应更小的应力比强度值. 基于上述思路并类比将其推广为正交三维各向异性准则, 基于三维各向异性材料的三维沉积面, 提出了三维特征沉积面的概念, 并基于空间滑移面与三维特征沉积面之间的夹角作为度量各向异性程度的变量, 提出了基于两面角作为参量考虑原生各向异性的应力比强度公式, 并利用该应力比强度公式来修正已提出的t强度准则, 最终建立了考虑各向异性影响的t准则公式. 在上述准则基础上, 考虑将各向异性应力空间转换为各向同性应力空间的思路, 在各向异性t准则基础上, 推导得到了基于各向异性强度t准则的变换应力公式, 利用变换应力公式可以将传统的以p, q为变量的各向同性本构模型转变为可考虑各向异性的三维本构模型. 通过对岩土材料的强度以及真三轴条件下的应力应变关系试验数据预测, 验证了所提的各向异性t准则及其变换应力公式的有效性及适用性.      

ANISOTROPIC STRENGTH CRITERION BASED ON T CRITERION AND THE TRANSFORMATION STRESS METHOD 1)

岩土材料通常呈现出成层水平分布特点, 即可将其视为横观各向同性材料, 横观各向同性对于岩土材料的变形以及强度值都会产生显著的影响. 基于已提出的t强度准则, t强度准则是基于各向同性单元体中存在有效滑移面来构建的, 并根据该空间有效滑移面上主剪应力与主法向应力的比值达到一定阈值为破坏条件. 在空间中存在有效滑移面与物理沉积面, 基于上述两个面在空间的位置关系, 用两面夹角作为表征横观各向同性对剪切强度影响程度的参量, 并假定当该夹角值越大, 则各向异性对强度贡献程度越大, 对应更大的应力比强度值, 反之, 则对应更小的应力比强度值. 基于上述思路并类比将其推广为正交三维各向异性准则, 基于三维各向异性材料的三维沉积面, 提出了三维特征沉积面的概念, 并基于空间滑移面与三维特征沉积面之间的夹角作为度量各向异性程度的变量, 提出了基于两面角作为参量考虑原生各向异性的应力比强度公式, 并利用该应力比强度公式来修正已提出的t强度准则, 最终建立了考虑各向异性影响的t准则公式. 在上述准则基础上, 考虑将各向异性应力空间转换为各向同性应力空间的思路, 在各向异性t准则基础上, 推导得到了基于各向异性强度t准则的变换应力公式, 利用变换应力公式可以将传统的以p, q为变量的各向同性本构模型转变为可考虑各向异性的三维本构模型. 通过对岩土材料的强度以及真三轴条件下的应力应变关系试验数据预测, 验证了所提的各向异性t准则及其变换应力公式的有效性及适用性.     

系统锚杆对边坡岩体加固效果的数值模型试验研究

以大型的岩土工程数值分析软件AD INA为研究手段,对边坡岩体的分离块体经系统锚杆加固后,其抗压强度、弹性模量及c、φ值的提高,并计算和比较了锚固对不同强度岩体的参数影响大小,并对锚固岩体的各向异性进行了初步研究,垂直布锚对岩体的弹性模量影响较大,但是对于岩体的抗压强度的影响相对较小。     

基于非关联流动规律的Gotoh屈服准则的参数确定方法

屈服准则对板料成形过程的理论解析、工艺优化和有限元模拟有着重要的影响. 通过提高屈服准则的各向异性表征能力, 可以确保成形过程的可靠性及实际预测的准确性. 本文基于非关联流动法则, 给出了Gotoh屈服准则一套全新的参数求解方法. 在结合常用屈服准则并考虑流动规律的基础上, 分别以5754O铝合金、DP980先进高强钢和SAPH440结构钢作为研究对象, 进行了不同加载路径下各向异性变形行为的预测. 根据Gotoh屈服准则推导的屈服函数、塑性势函数以及基于关联流动的理论函数计算出屈服应力和各向异性指数$r$值随加载角度的分布趋势, 进而针对平面应力状态的屈服轨迹展开分析, 验证了不同屈服准则和流动规律对各向异性屈服行为的预测精度. 理论与实验数据对比结果表明: 不同屈服准则针对同种板料在流动规律一致的情形下其表征各向异性的能力有显著差异; 相同屈服准则基于不同流动规律其表征能力也具有明显差别. 基于非关联流动的屈服准则能极大地提高精度, 各向异性表征能力显著加强. 相关结果能够为各向异性屈服准则在塑性成形领域的实际应用方案提供重要参考.      

基于数字摄影测量的结构面信息表征及应用研究

结构面的存在直接影响岩体的强度、变形特征及破坏机制。为探究夏甸金矿矿区结构面的存在对岩体力学参数和岩体质量情况的影响，利用数字摄影测量技术快速获取研究区域结构面几何信息，并通过三维建模、激光扫描技术以及VR-Platform虚拟现实平台实现了结构面二维几何信息的真三维表征。基于此，利用广义Hoek-Brown强度准则分析计算了各研究区域的岩体力学参数，并根据岩体基本质量指标BQ值进行了岩体质量分级评价。结果表明，夏甸金矿岩体力学参数指标和岩体质量指标均较好；矿体下盘距离矿体方向越远，岩体完整性系数和岩体力学参数越低；利用广义Hoek-Brown强度准则计算所得岩体力学参数除内摩擦角外数值均与前期试验所得数据基本一致，计算所得岩体内摩擦角度偏大的原因，可能是其未考虑结构面自身的颗粒直径和形态等对岩体内摩擦角的影响。     

砂质泥岩各向异性特征试验研究

为研究砂质泥岩各向异性特征,取长轴与层面不同夹角的圆柱试样,在岩石试验机上做了三轴剪切试验,得到应力-应变曲线,分析了围压和夹角对砂质泥岩强度及破坏模式的影响。结果表明,砂质泥岩在相同围压下,峰值强度及残余强度的关系随夹角呈U型曲线,且其各向异性程度随着围压的增加而降低。根据莫尔-库伦强度准则,砂质泥岩的内摩擦角与粘聚力随夹角呈凹型曲线。其破坏模式表现出明显的各向异性,可分为三类,即张拉剪切复合破坏、沿层面剪切破坏和贯穿层面剪切破坏。其中90°为张拉剪切复合破坏,60°和45°为沿层面剪切破坏,30°和0°为贯穿层面剪切破坏。试验结果可为砂质泥岩地区相关工程稳定性分析提供参考。     

基于非关联流动规律的Gotoh屈服准则的参数确定方法

屈服准则对板料成形过程的理论解析、工艺优化和有限元模拟有着重要的影响.通过提高屈服准则的各向异性表征能力,可以确保成形过程的可靠性及实际预测的准确性.本文基于非关联流动法则,给出了Gotoh屈服准则一套全新的参数求解方法.在结合常用屈服准则并考虑流动规律的基础上,分别以5754O铝合金、DP980先进高强钢和SAPH440结构钢作为研究对象,进行了不同加载路径下各向异性变形行为的预测.根据Gotoh屈服准则推导的屈服函数、塑性势函数以及基于关联流动的理论函数计算出屈服应力和各向异性指数r值随加载角度的分布趋势,进而针对平面应力状态的屈服轨迹展开分析,验证了不同屈服准则和流动规律对各向异性屈服行为的预测精度.理论与实验数据对比结果表明:不同屈服准则针对同种板料在流动规律一致的情形下其表征各向异性的能力有显著差异;相同屈服准则基于不同流动规律其表征能力也具有明显差别.基于非关联流动的屈服准则能极大地提高精度,各向异性表征能力显著加强.相关结果能够为各向异性屈服准则在塑性成形领域的实际应用方案提供重要参考.     

SMC-R50复合板撞击破坏的定量研究和剩余强度的预报

本文研究了SMC—R50的撞击破坏,以及撞击破坏所引起的材料强度和刚度的降低. 撞击破坏引起SMC-R50薄板的厚度发生变化,以厚度变化作为衡量破坏的尺度.将宽试件切成窄条试件,以便实验测定一个“点”的剩余模量和剩余强度,并建立厚度变化与相应的模量和强度之间的关系. 用有限元方法分析受撞击的50.8mm宽试件的应力.把破坏区简化成各向同性线弹性的非均匀体,根据各单元的平均厚度变化,确定其相应的材料常数.用SAPⅣ计算出单元的主应力.用最大拉应力强度理论判断随着载荷增加时,其中某些单元逐次破坏并得出该试件的破坏载荷.理论预报与实验结果,吻合良好.     

复杂应力状态下木材力学性能的数值模拟

针对木材复杂的各向异性材料特点,建立了能反映木材正交各向异性弹性、抗拉和抗压强度不等、抗拉或抗剪时发生脆性破坏而受压时发生塑性变形等特性的本构模型。将木材弹性应力—应变关系简化为正交各向异性;选用Yamada-Sun强度准则来判断木材抗压时是否屈服,抗拉或抗剪时是否发生应变软化;通过引入损伤因子和弹性应变能,建立了木材...     

基于指数准则在莫尔空间对岩石剪切强度的研究

岩石是多种矿物颗粒构成的天然材料,内部存在不同尺度的孔隙、裂隙等损伤;岩体工程设计及灾害防治所使用的强度准则仍在研究之中.材料的黏结和摩擦在局部不能同时存在,线性的Coulomb准则仅在小范围内近似描述圆柱试样的常规三轴强度,众多非线性强度准则只是经验公式而缺乏物理背景. 作者提出的指数准则可描述岩石剪切破坏时强度与围压的关系;基于对11组试验数据的拟合结果在莫尔应力空间分析黏结力和摩擦力的变化特征:岩石承载的剪切力存在上限即材料的真实黏结力c₀;在试验范围内莫尔概念的内摩擦力达到约为0.38 c₀的峰值,且黏结力在其附近相交. 材料真实黏结力与正应力无关,因而名义黏结力表征了完好材料剪切破裂的面积;基于裂隙面积计算的等效摩擦因子随正应力降低,意味着裂隙滑移的爬坡角减小,而后者取决于正应力与真实黏结力的比值. 等效摩擦因子与指数准则的材料参数具有确定关系,体现了岩石在压应力作用下剪切破裂的物理背景.      

单轴压缩下断续节理岩体动态损伤本构模型

断续节理将对工程岩体的强度及变形等力学特性产生显著影响，损伤力学中视节理为岩体的一种宏观损伤，因而采用损伤张量来刻画其对岩体的影响。目前学术界提出了用节理的几何、强度及变形等3类参数来描述节理的物理力学性质，而目前的岩体损伤张量计算方法都只涉及前2类参数，均没有涉及其变形参数即法向及切向刚度。为此，在前人研究的基础上，基于断裂及损伤理论提出了考虑节理法向及切向刚度的单轴压缩下单条断续节理引起的损伤张量计算公式，进而通过考虑节理间相互作用给出了单组单排或多排节理岩体损伤张量计算公式。其次，以岩石细观动态损伤模型为基础，结合宏细观损伤耦合观点提出了一个能够同时考虑节理几何、强度及变形参数的断续节理岩体动态损伤本构模型。最后，利用该模型讨论了节理参数及载荷应变率等对岩体动态力学特性的影响，认为节理长度减小及摩擦角增大将导致岩体动态峰值强度及弹性模量增大；岩体动态峰值强度及弹性模量则随着节理法向及切向刚度的增大分别减小或增大；而当节理法向及切向刚度按照同一比例增大时，岩体动态峰值强度及弹性模量则是增大的。岩体动态峰值强度与载荷应变率呈正相关。     

三维加锚弹塑性损务模型在溪洛渡地下厂房工程中的应用

本文根据断续裂隙岩体的损伤机制,建立了三维弹塑性损伤本构模型反映裂隙岩体的损伤变形特性。考虑断续裂隙岩体的岩锚支护效应,建立了空间损伤锚柱单元模型模拟锚杆的支护效果。最后将建立的模型应用于溪洛渡水电站地下厂房,进行了洞室群开挖弹塑性损伤及岩锚支护三维非线性有限元计算,获得了一些有益的工程结论。     

A method to simplify the strength design of bolted joints—Case of connecting-rod bolts

This study shows the development of the strength-design system for general bolted joints. Specifically, a simplified method of the strength design for the connectingrod bolts is proposed. The connecting-rod joint is transformed into a single-bolted-joint model by using the ring model. The axial stress on the bolt and separation behavior at the contact plane are discussed. The strength design of the connecting-rod joint can be performed by applying the unified procedure to the single-bolted-joint model. The local deformation of the connecting-rod joint and the stress on the bolt were measured and the analytical results are compared with the experimental results. Both results show fairly good agreement.     

基于组件法的穿心螺栓连接CFST柱节点初始刚度计算

本文基于EC3中的组件法，分析并建立了不同类型穿心螺栓连接CFST柱节点的力学模型，提出了EC3中未涉及的加强角钢的组件模型以及穿心螺栓连接刚度系数计算公式，推导了不同节点的初始刚度计算公式，试验结果和公式结果的对比表明，采用EC3给出的受拉螺栓刚度系数将大大低估穿心螺栓连接CFST柱节点的初始转动刚度，而采用本文所提出的考虑穿心螺栓预紧力的受拉螺栓刚度系数计算公式则与试验结果吻合较好．     

泡沫铝率相关本构模型及其在三明治夹芯板冲击吸能特性的应用研究

高孔隙率泡沫铝芯体三明治板具有轻质、高比刚度和减振吸能等优良的力学特性和物理特性,被广泛地应用于碰撞吸能部件上.近年来,高孔隙率泡沫铝在动态压缩下是否具有应变率敏感性成为广大学者的研究焦点.论文建立了横观各向同性率相关本构模型来描述高孔隙率泡沫铝的应变率效应,给出了有限元的计算步骤,基于ABAQUS/Explicit平...     

锚杆对节理围岩稳定性影响的离散元研究

本文针对巷道围岩多被节理切割的特点,利用离散元研究了全长锚杆对节理围岩稳定性的影响。结果表明,尽早锚固,有利于围岩的稳定;同时,巷道各部位围岩的变形与破坏具有明显协同性或关联性,应预以系统考虑对围岩的加固。     

加锚体自然单元法分析与程序设计

建立了加锚体的自然单元法分析模型。结合自然相邻插值和一维轴力杆单元的劲度矩阵,推导了锚杆支护数值模拟的单元列式,给出了自然单元法分析加锚体的实施步骤和主要程序设计。结构的离散和锚杆的离散完全独立,因此可以自由地加设或拆除锚杆。算例分析表明自然单元法分析加锚体的精度与有限元的相当,但比有限元的实施要方便得多。     

轴向交变载荷作用下螺栓联接结构的松动试验研究

在设计、试制螺栓加载装置的基础上,对螺栓联接结构进行了轴向振动的疲劳试验,获取了螺栓夹紧力的时变曲线,并对试验后的螺栓接触表面进行损伤分析,研究螺栓联接结构的松动机理.结果表明:在轴向振动条件下,螺栓联接结构的夹紧力下降较为明显,但拧出力矩相对于预紧力矩变化不大.螺栓的松动过程可分为以下两个阶段:试验初期由于螺栓接触面的塑性变形,夹紧力迅速下降;然后由于接触面之间的微动磨损,夹紧力缓慢下降.螺纹接触面之间的损伤机制主要为黏着磨损、磨粒磨损和剥层.     

螺栓扭矩系数影响因素的试验研究

在螺栓连接结构中,为保证连接的可靠性,必须为螺栓提供合适的预紧力。工程中通常采用扭矩法装配螺栓连接结构,因此需要确定预紧力与扭矩之间的关系(即扭矩系数),以施加合适的装配扭矩。本文对输电塔中常用的M16镀锌螺栓进行预紧力试验研究,测试分析了螺栓强度等级、有无垫圈和有无润滑对螺栓连接副扭矩系数的影响。研究结果表明,高强度螺栓比普通螺栓的扭矩系数小,数据离散性也小;无垫圈的螺栓比有垫圈的螺栓扭矩系数小,但数据离散性大;有润滑的螺栓比无润滑的螺栓扭矩系数小,数据离散性也小。本文同时探讨了如何控制、调整扭矩系数,以及螺栓连接中要注意的问题,为设计和施工单位提供参考。     

三维DIC在GFRP锚杆拉伸力学性能测试中的应用

随着玻璃纤维增强塑料(GFRP)广泛运用于轨道交通及边坡加固中,其力学性能的测试显得尤为重要。基于三维数字图像相关(DIC)方法,研究了三种不同加载速率下GFRP锚杆的拉伸力学性能,分别得到了应力-应变曲线及弹性模量、抗拉强度、最大力总延伸率等参数。实验结果表明,螺旋状变截面锚杆的轴向应变呈非均匀分布,由三维DIC得到的锚杆弹性模量结果一致性优于传统的接触式引伸计方法,GFRP锚杆几乎呈线性分布的应力-应变曲线表明该材料为典型的脆性材料。