水饱和花岗岩本构模型及地下爆炸波的数值研究

采用广义自洽方法描述介质的细观几何结构,基于混合物理论建立了水饱和岩石含损伤弹塑性本构模型,提出了一个适用于爆炸波数值计算的饱和水体积分数演化方程,也即给出了本构关系中的闭合方程.使用Biot有效应力描述水压对岩石强度的影响,在有效应力空间里建立了水饱和岩石剪切屈服和破坏的强度准则,并引入了剪胀效应对强度的影响因子.对地下封闭核爆炸的力学效应开展了数值模拟,系统地研究了含水花岗岩中地下爆炸波的传播特征以及含水量对爆炸应力波传播规律的影响.     

黏弹性准饱和土中球空腔动力特性

在频率域内研究了内水压力作用下分数导数型黏弹性准饱和土中球空腔的稳态动力响应. 通 过引入与孔隙率有关的应力系数合理地确定了介质和孔隙水共同承担的内水压力值. 将土骨 架和衬砌分别视为具有分数导数本构模型的黏弹性体和多孔柔性材料, 基于Biot两相介质模 型, 通过引入位移势函数解耦得到了内水压力作用下分数导数型黏弹性准饱和土中半封闭球 形空腔的位移、应力和孔隙水压力解析表达式. 考察了物性和几何各参数对球形空腔动力响 应的影响, 结果表明: 分数导数本构模型更合理地描述了土体的动力学行为; 饱和度对应力 和孔隙水压力影响较大, 而对位移影响较小.     

液饱和多孔介质中三维应力波的传播

为了深入研究液饱和多孔介质中应力波的传播，提出了三维两相细观计算模型．基于此模型。应用Galerkin余量法并计及流-固耦合界面的耦合效应，利用直接耦合的技术，开发了三维流-固混合显式动力有限元计算程序．在此基础上对冲击载荷作用下液饱和多孔介质中三维应力波的传播现象进行了数值模拟，并详细讨论了孔隙率，孔隙形状等因素对应力波传播主导波形的影响．     

考虑损伤的弹—粘塑性本构方程

采用Ｐｅｒｚｙｎａ过应力本构框架，引入塑性损伤在饱和强化率相关介质中的动态演化规律，建立了考虑损伤的弹－粘塑性本构方程，修正了Ｅｆｔｉｓ等人将Ｐｅｒｚｙｎａ方程推广时采用不一致的基体强化模式推演损伤演化方程和本构关系这一矛盾。详细计算了黄铜的初始屈服强度及率相关屈了面，给出了动态单轴拉伸数值结果并与实验进行了比较，结果符合很好。     

轴对称热-力埋置载荷下半空间饱和孔隙介质的动力响应

基于修正的Biot热弹性本构理论,得到了饱和多孔介质热-力耦合的动力学控制方程.针对半空间孔隙介质在内置简谐热-力轴对称载荷作用下的动力问题,利用Hankel变换获得了响应的解析表达式,并利用Han-kel逆变换进行数值求解,分析了埋置深度、表面热边界条件等对响应的影响规律.结果表明:孔隙水压力在载荷作用处上方有负压出现;环向、径向及竖向应力在载荷作用处发生突变,且在载荷作用处上方均出现拉应力;在载荷作用处下方,孔隙水压力及竖向、径向和环向应力均随着深度的增大而减小.当内置热载荷仅设置温差,而无外热源输入时,温差对孔隙介质中的响应几乎不产生影响.当孔隙介质表面绝热时,孔隙水压力小于表面等温情况下的值.     

多孔隙流固耦合砂岩的冲击损伤效应

采用分离式霍普金森压杆冲击实验系统,对流固耦合的多孔隙红砂岩试样进行了不同冲击速率下 的损伤效应对比实验,得到反复冲击作用下多孔隙砂岩试件的损伤演化本构关系曲线。通过检测不同冲击速 率作用前后流固耦合砂岩试样的声波速度变化和冲击损伤破坏结果,探讨多孔隙流固耦合砂岩的冲击损伤 演化的主要影响因素,得出冲击损伤强度随声波速度和孔隙率的变化曲线;提出不同耦合介质和孔隙率对多 孔隙砂岩冲击损伤效应的影响关系。     

双重孔隙介质THMM耦合模型及其有限元分析

建立了一种饱和-非饱和遍有节理岩体的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合模型,其特点是应力场和温度场是单一的,但具有不同的孔隙渗流场、裂隙渗流场和孔隙浓度场、裂隙浓度场,以及可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率和刚度对本构关系的影响;并开发了相应的二维有限元程序.针对一个假定的高放废物地质处置库,就岩体为非饱和双重孔隙-裂隙介质和放射性核素泄漏的情况进行了数值分析,考察了岩体中的温度、负孔隙水压力、饱和度、地下水流速、核素浓度和主应力的状态.结果显示:孔隙和裂隙中的负水压力及核素浓度呈现不同的变化、分布;尽管裂隙水饱和度平均仅为孔隙水饱和度的1/10,但因裂隙的渗透系数比孔隙的渗透系数大4个数量级,故裂隙中地下水的流速约是孔隙中相应值的3倍;孔隙和裂隙中核素浓度的量值接近.     

非饱和土力学理论的研究进展

回顾了非饱和土有效应力的发展,目前普遍认同采用两个应力变量来建立本构模型,且对基质吸力中毛细和粘吸两部分作用进行了阐述。分析了非饱和土强度问题,包括抗剪强度和抗拉强度。讨论了非饱和土的本构模型问题,包括基于净应力和基质吸力的弹塑性模型,基于Bishop有效应力和基质吸力的水力力学耦合弹塑性模型,以及双孔隙结构的模型。最后探讨了热力学方法和多孔介质理论在非饱和土中的应用,基于多孔介质理论在多场耦合条件下土体复杂的行为是当前值得研究的问题。     

孔隙流体耦合效应对射流冲击应力分布的影响分析

运用全解耦流固耦合理论,建立了水射流冲击岩石介质流固耦合数值分析模型,给出了数值算法,计算分析了考虑和不考虑孔隙流体耦合效应对射流冲击岩石时应力分布的影响规律。结果表明,在射流冲击作用下,如不考虑孔隙流体耦合作用,最大拉应力位于冲击面,离冲击中心径向距离与喷距成正比,最大剪切应力位于岩石冲击中心下部约0.5倍喷嘴直径位置;如考虑孔隙流体耦合作用,最大拉应力位于岩石冲击中心下部约0.4倍喷嘴直径位置。数值分析结果可为水射流破岩机理研究中岩石破坏准则的选择提供依据。     

饱和土体中压力隧洞衬砌-土相互作用解析研究

基于Biot理论，采用渗流一力学耦合模型研究分析了内水压力作用下饱和土体中压力隧洞衬砌一土的相互作用问题。假定衬砌和土体均为饱和多孔介质，且衬砌和土体完全接触。运用积分变换理论，在hplace变换域中得到了衬砌和土体中的应力、位移和孔隙水压力解答，并利用bplace数值逆变换得到时域中的解。文末的算例分析结果表明：(1)采用渗流一力学耦合模型能较好地反映隧洞衬砌与土体相互作用中应力和变形的随时间变化过程；(2)衬砌和土体的相对刚度对隧洞的计算结果有很大影响。     

单轴压缩下微纳晶镍的孔洞演化模型

在含孔隙微纳晶材料受单轴压缩载荷下的大塑性变形中,由于孔洞与基体变形的不匹配,在孔洞周围将产生大量的几何必需位错,本文假设这些位错均匀地从孔洞表面向其内部发射,促使孔洞周围先产生局部非均匀变形,从而导致微纳晶镍试样内孔隙率的变化。基于这种假设本文首先建立了单轴压缩载荷下孔洞的演化发展模型,并用此模型预测了孔隙率的变化,将其与实验测定值进行了比较,结果表明孔洞演化发展模型具有一定合理性。在此基础上,讨论了固定孔隙率和演化发展的孔隙率对不同晶粒尺寸和不同应变速率下的纳晶镍试样力学行为的影响。     

A linear dynamic model for a saturated porous medium

A linear isothermal dynamic model for a porous medium saturated by a Newtonian fluid is developed in the paper. In contrast to the mixture theory, the assumption of phase separation is avoided by introducing a single constitutive energy function for the porous medium. An important advantage of the proposed model is it can account for the couplings between the solid skeleton and the pore fluid. The mass and momentum balance equations are obtained according to the generalized mixture theory. Constitutive relations for the stress, the pore pressure are derived from the total free energy accounting for inter-phase interaction. In order to describe the momentum interaction between the fluid and the solid, a frequency independent Biot-type drag force model is introduced. A temporal variable porosity model with relaxation accounting for additional attenuation is introduced for the first time. The details of parameter estimation are discussed in the paper. It is demonstrated that all the material parameters in our model can be estimated from directly measurable phenomenological parameters. In terms of the equations of motion in the frequency domain, the wave velocities and the attenuations for the two P waves and one S wave are calculated. The influences of the porosity relaxation coefficient on the velocities and attenuation coefficients of the three waves of the porous medium are discussed in a numerical example.     

海洋地震工程流固耦合问题统一计算框架

海底地震动的模拟以及海洋工程结构的地震反应分析中,涉及到海水、饱和海床、弹性基岩、结构之间的相互耦合.传统的方法分别采用声波方程描述理想流体、Biot方程描述饱和海床、弹性波方程描述基岩和结构,分别考虑相互之间的耦合,十分不便.本文基于理想流体、固体分别为饱和多孔介质的特殊情形(孔隙率分别为1和0),由饱和多孔介质的Biot方程可退化得到理想流体的声波方程和固体的弹性波方程.然后,以饱和多孔介质方程为基础,经集中质量有限元离散,考虑不同孔隙率的饱和多孔介质之间耦合的一般情形,建立了该耦合情形的求解方法.进一步论证了该一般情形的耦合计算方法可分别退化到流体与固体、流体与饱和多孔介质、固体与饱和多孔介质之间的耦合计算,从而将流体、固体、饱和多孔介质间的耦合问题纳入到统一计算框架,并编制了相应的三维并行分析程序.以P-SV波垂直入射时,半无限层状海水-饱和海床、海水-弹性基岩、海水-饱和海床-弹性基岩三种情形的动力分析为例,采用统一计算框架结合透射边界条件进行求解,并与传递矩阵方法得到的解进行对比,验证了该统一计算框架的有效性以及并行计算的可行性.      

材料的弹粘塑性本构关系和应力波的演化

试验表明，大多数工程材料在冲击载荷作用之下的变形一般都同时包含有可恢复的瞬态性弹性变形和不可恢复的粘滞性塑性变形，即其本构关系可以用弹粘塑性模型来描述。本文从内变量理论出发，探讨了时率相关材料的弹粘塑性本构关系的一般特性，建立了增量型的弹粘塑性本构关系的一般理论框架和普适的表达式，并且对两种最常用的本构模型——Bodner-Partom模型和Johnson-Cook模型给出了在一维应变条件下的具体形式。通过计算和讨论一维应变粘塑性靶板中冲击波的衰减机制和应力波的演化规律，特别是考察各种粘塑性本构模型中的材料参数对冲击波的衰减和应力波的演化的影响，得出了一些可以直接应用或具有一定借鉴价值的结果，为研究应力波的其他衰减机制以及在人防工程中智能防护层设计时新材料的选取奠定了基础。     

孤立波与多孔介质结构物的非线性相互作用

基于精确至Ｏ（εμ＾２,μ＾４）的多孔介质无压渗流模型方程和均匀流体质波动的Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程,本文对孤立波与多孔介质结构物的相互作用了较系统的数值实验。控制方程采用基于有限差分方程离散,在时域上采用了预估－校正方法进行了时间积分。在求解演化方程的过程中,引入“内迭代”过程实现流体域和多孔介质交界面的连接条件。结果表明孤立波在多孔介质上的反射与在不可渗透的界面上的反射类似,形成反向的孤立波但     

多孔硅橡胶有限变形的粘弹性行为

针对孔隙度较大（孔隙度大于50％）的硅橡胶材料在有限变形时的粘弹性行为，从建立描述材料粘弹性特征的松驰函数和变形特征的应变能函数出发，提出了适合多孔隙、可压硅橡胶材料的非线性粘弹性力学行为的本构关系，松驰函数和应变能函数可解耦为等容和体积变形两部分，并引入了拟时间的概念来反映变形对材料特征时间的影响，利用硅橡胶材料的单轴压缩松驰实验与材料模型进行了对比，讨论了多孔硅橡胶的等容变形和体积变形对应力松驰的影响。     

Homogenization-based constitutive models for porous elastomers and implications for macroscopic instabilities: II—Results

In Part I of this paper, we developed a homogenization-based constitutive model for the effective behavior of isotropic porous elastomers subjected to finite deformations. In this part, we make use of the proposed model to predict the overall response of porous elastomers with (compressible and incompressible) Gent matrix phases under a wide variety of loading conditions and initial values of porosity. The results indicate that the evolution of the underlying microstructure—which results from the finite changes in geometry that are induced by the applied loading—has a significant effect on the overall behavior of porous elastomers. Further, the model is in very good agreement with the exact and numerical results available from the literature for special loading conditions and generally improves on existing models for more general conditions. More specifically, we find that, in spite of the fact that Gent elastomers are strongly elliptic materials, the constitutive models for the porous elastomers are found to lose strong ellipticity at sufficiently large compressive deformations, corresponding to the possible onset of “macroscopic” (shear band-type) instabilities. This capability of the proposed model appears to be unique among theoretical models to date and is in agreement with numerical simulations and physical experience. The resulting elliptic and non-elliptic domains, which serve to define the macroscopic “failure surfaces” of these materials, are presented and discussed in both strain and stress space.     

铁合金和青铜多孔材料屈服应力的实验研究

对铁合金和青铜多孔材料做静态实验和Taylor冲击实验,得到静态屈服应力和孔隙率以及动态屈服应力和应变率的变化规律,同时将静动态载荷作用下的多孔材料的本构方程与实验结果进行了对比,发现理论分析和实验研究有良好的一致性,表明本文采用的模型基本能满足实际工程应用。     

多孔材料中应力波的传播

针对多孔泡沫混凝土实验应力应变曲线的基本特点,提出并建立了一种可以考虑孔隙压实过程的材料本构模型及其数学形式.通过典型算例,分析了应力波在多孔材料中传播的耗散效应,指出多孔材料中的孔隙在被压实过程中能有效吸收应力波能量、降低应力波强度,在引起应力波衰减的诸因素中,孔隙压实所起的作用更大更显著.     

THEORETICAL MODEL OF EFFECTIVE STRESS COEFFICIENT FOR ROCK/SOIL-LIKE POROUS MATERIALS

Physical mechanisms and influencing factors on the effective stress coefficient for rock/soil-like porous materials are investigated, based on which equivalent connectivity index is proposed. The equivalent connectivity index, relying on the meso-scale structure of porous material and the property of liquid, denotes the connectivity of pores in Representative Element Area （REA）. If the conductivity of the porous material is anisotropic, the equivalent connectivity index is a second order tensor. Based on the basic theories of continuous mechanics and tensor analysis, relationship between area porosity and volumetric porosity of porous materials is deduced. Then a generalized expression, describing the relation between effective stress coefficient tensor and equivalent connectivity tensor of pores, is proposed, and the expression can be applied to isotropic media and also to anisotropic materials. Furthermore, evolution of porosity and equivalent connectivity index of the pore are studied in the strain space, and the method to determine the corresponding functions in expressions above is proposed using genetic algorithm and genetic programming. Two applications show that the results obtained by the method in this paper perfectly agree with the test data. This paper provides an important theoretical support to the coupled hydro-mechanical research.