粒料固有各向异性的离散元模拟与细观分析

料在摊铺后形成的颗粒定向排列将导致其力学性质的固有各向异性. 依据粒料的实际不规则形状, 构建了可模拟粒间咬合嵌挤作用的三维离散元复杂形状颗粒; 生成了5 种不同沉积方向的各向异性试件和1种各向同性试件, 对比了各试件在三轴压缩试验中的宏观力学特性差异; 引入组构张量以量化各向异性程度, 利用玫瑰图表达接触法向与接触力的分布特征, 探究了粒料各向异性的细观发展规律. 结果表明: 颗粒长轴愈趋向水平排布, 峰值应力比愈大, 剪缩与剪胀程度愈明显; 相较于各向同性试件, 沉积角$\theta$为料在摊铺后形成的颗粒定向排列将导致其力学性质的固有各向异性. 依据粒料的实际不规则形状, 构建了可模拟粒间咬合嵌挤作用的三维离散元复杂形状颗粒; 生成了5 种不同沉积方向的各向异性试件和1种各向同性试件, 对比了各试件在三轴压缩试验中的宏观力学特性差异; 引入组构张量以量化各向异性程度, 利用玫瑰图表达接触法向与接触力的分布特征, 探究了粒料各向异性的细观发展规律. 结果表明: 颗粒长轴愈趋向水平排布, 峰值应力比愈大, 剪缩与剪胀程度愈明显; 相较于各向同性试件, 沉积角$\theta$为$0^\circ$时, 峰值应力比和最大体积压缩应变分别提高了12.6\%和18.8\%, 其原因在于加载过程中颗粒旋转和滑动百分比更小, 内部调整时间更短、更易被剪密; 固有各向异性对颗粒法向接触力分布的影响不大, 但显著影响接触法向分布特征; 剪切过程中, $\theta$为$90^\circ$时的接触法向各向异性系数先快速减小后逐渐增大, 而$\theta$为$0^\circ$到$60^\circ$时则呈现出增大后稍有回落或趋于稳定的趋势, 且$\theta$ 愈小的试件各向异性系数增大愈快.     

基于微面有效应力矢量的各向异性屈服准则

基于微面模型,定义损伤变量为微面上有效承载面积的减少. 将Kachanov的一维有效 应力概念推广到三维,提出微面有效应力矢量的概念. 根据微面的有效应力矢量,将无损材 料的宏观应力张量及不变量与微面应力矢量的积分关系拓展到有损材料,得到了有损材料的 宏观有效应力张量及其不变量与宏观名义应力张量、微面面积损伤组构张量之间的关系. 将 无损材料的以应力张量不变量表示的Drucker-Prager准则推广到有损材料,建立了含缺陷 材料的各向异性屈服准则. 对有损材料,宏观有效应力张量与Murakami的有效应力张量具 有相同的形式,各向异性强度准则与Liu等提出的扩展Hill准则有相同的形式,当不考虑 静水应力对屈服的影响时,它与Hill准则具有相同的形式.     

颗粒材料三维应力路径下的接触组构特性

颗粒材料的宏观应力变形特征与其微观接触力、组构等紧密相关.一般而言,强接触系统属于颗粒内部体系的传力结构,其对应的组构张量是影响宏观应力性质的重要因素.细观数值方法(如离散单元法)能够反映物理试验的基本规律,并且可以方便地提取宏微观数据来研究颗粒体系的应力变形机制.采用离散单元法(discrete element method,DEM)进行一系列等$p$等$b$应力路径下颗粒材料的真三轴试验,在此基础上研究了三维应力路径下颗粒材料的宏微观力学参数的演化过程、三维组构张量与应力张量多重联系以及强接触体系反映的宏观应力特征.研究表明:颗粒体系偏应力峰值状态和临界状态均存在与加载路径无关的宏微观特征;三维应力路径下组构张量与应力张量存在非共轴性,但其联合不变量演化过程表现出加载路径无关的特征;与弱接触系统的组构张量相比,强接触系统的组构张量更能反映宏观应力张量的特征;强弱接触体系的组构张量对颗粒体系宏观响应的贡献不同,其分界点存在一定取值范围,但采用平均接触力较为简单合理.      

横观各向同性砂土的破坏准则

对砂土类材料,各向异性状态参数定义为材料微观结构张量与标准化偏应力张量之间的联合不变量。通过在Lade破坏准则内耦合各向异性状态参数,建立了横观各向同性砂土类材料的破坏准则,并分别结合中密和密实的Santa Monica河滩砂的扭剪和真三轴实验资料进行了验证工作。研究结果表明：局部剪切带、加荷方向与材料主轴方向间的相对方位是影响砂土内摩擦角的主要因素;与扭剪实验和真三轴实验进行验证时均发现,当中主应力比 b 在0.18~0.85范围内时,由于砂样易出现局部的剪切带,这使砂样在达到其真正的峰值强度前破坏,从而使预测出的砂土内摩擦角均大于其实测值;但当0.18b≤和0.85b≥时,砂样始终呈现无剪切带的均匀变形破坏,因此预测出的砂土内摩擦角基本等于其实测值。这些研究结果说明了该横观各向同性砂土的破坏准则是合理的。     

增量型各向异性损伤理论与数值分析

考虑到目前各向异性损伤理论存在一些不足,该文在增量型各向异性损伤理论的框架下,引入二阶对称张量,构造四阶对称有效损伤张量,建立了有效应力方程.类似于塑性流动分析方法,定义了增量弹性应力-应变关系.利用von Mises塑性屈服准则,并考虑各向异性损伤效应,推导出四阶对称的弹-塑性变形损伤刚度张量,其对称性反映了材料的固有特性.根据物体的变形和现时损伤状态,构造了材料损伤演化方程,方程中各项具有明确的物理意义.通过对Al2024-T3金属薄板单向拉伸的有限元分析,确定了损伤演化参数,验证了损伤演化方程的正确性.此外还对含孔口薄板做有限元模拟,讨论了反力-位移曲线的变化规律以及它所揭示变形性质,给出了损伤场的分布规律.     

基于Oda裂隙结构张量的流纹岩各向异性试验研究

岩石内天然存在长度、倾角和形态不同的裂隙,造成岩石的各向异性特征。为揭示岩石内天然随机裂隙发育特征对岩石物理力学特性的影响规律,以泥巴山隧址区采集裂隙性流纹岩为研究对象,首先对试样裂隙进行素描统计分析;然后基于Oda裂隙结构张量,获得天然随机分布裂隙的几何统计参数;最后对裂隙性流纹岩试样分别进行单轴和常规三轴压缩试验,得到不同应力路径下流纹岩的应力-应变曲线及物理力学参数。分析Oda裂隙结构张量定义的各向异性参数与试验获得的力学参数之间的规律,研究结果表明:(1)Oda裂隙结构张量适用于天然随机分布裂隙的几何统计分析,各向异性参数A(F)越大,裂隙优势方向越明显;(2)单轴压缩下,随着各向异性参数I1和A(F)的增大,流纹岩各向异性程度增大,弹性模量减小,泊松比增大;(3)常规三轴压缩下,流纹岩弹性模量和泊松比随各向异性参数改变的规律较不明显,Oda裂隙结构张量不再适用。     

基于细观拓扑结构演化的颗粒材料剪胀性分析

剪胀性是包括岩土材料在内的摩擦性颗粒材料的重要特征之一,其形成机制与颗粒体系内部拓扑结构的演化有关.基于颗粒体系细观数据,可对颗粒体系内部的拓扑结构特征及演化进行分析,进而建立拓扑演化与宏观剪胀变形之间的联系.采用离散单元法,根据密实、中密和松散摩擦性颗粒材料双轴试验的宏微观数据,从拓扑参量演化及接触网络拓扑变化所引起...     

宽速域下神经网络对雷诺应力各向异性张量的预测

基于Pope修正的有效黏度假设,张量基神经网络(tensor based neural network,TBNN)构建了从雷诺平均方程湍流模型(RANS)的平均应变率张量和平均旋转率张量到高精度数值解的雷诺应力各向异性张量的映射.将高精度数值解用于TBNN的训练,从而使TBNN根据RANS求解的湍动能、湍流耗散率和速度...     

应力历史对颗粒材料强度和变形特征影响的离散元模拟

主要关注了颗粒材料前期所受的应力历史对其后期宏观力学响应的影响。该应力历史由一段等比例加载应力路径以及卸载垂直方向应力至与水平方向围压相同的卸载段描述。具体工作为:基于PFC2D双轴压缩数值实验,调查了应力历史对颗粒样本的强度、变形特征、细观参量如组构的影响,得出颗粒样本的偏应力-应变、体积应变曲线及其发生破坏时的名义应变云图。数值结果表明:高低围压下样本分别发生剪切破坏和弥散破坏,高围压下弹性阶段的刚度受应力历史影响较大,而低围压下样本在刚进入塑性至应力峰值点阶段的弹塑性刚度变化较为明显。随着应力历史中等比例加载系数的增大,剪胀加快,变形局部化范围有所不同;另一方面,颗粒形状的不规则性会增强颗粒材料的各向异性,导致样本强度更高。     

考虑破碎影响的颗粒材料亚塑性模型及应变局部化模拟

在基于2ndP-K应力率的亚塑性模型基础上,通过引入一个能够考虑颗粒破碎影响的孔隙比-平均压力临界状态方程,形成了一个能够模拟颗粒破碎影响的颗粒材料亚塑性模型,数值算例考查了颗粒破碎对应变局部化模式及位移-承载曲线的影响,结果表明,所建议模型具有模拟破碎对颗粒材料应变局部影响的良好性能。     

ROTATIONAL RESISTANCE AND SHEAR-INDUCED ANISOTROPY IN GRANULAR MEDIA

This paper presents a micromechanical study on the behavior of granular materials under confined shear using a three-dimensional Discrete Element Method （DEM）. We consider rotational resistance among spherical particles in the DEM code as an approximate way to account for the effect of particle shape. Under undrained shear, it is found rotational resistance may help to increase the shear strength of a granular system and to enhance its resistance to liquefaction. The evolution of internal structure and anisotropy in granular systems with different initial conditions depict a clear bimodal character which distinguishes two contact subnetworks. In the presence of rotational resistance, a good correlation is found between an analytical stress-force-fabric relation and the DEM results, in which the normal force anisotropy plays a dominant role. The unique properties of critical state and liquefaction state in relation to granular anisotropy are also explored and discussed.     

非稳态纯滚动接触弹塑性分析

建立了二维弹塑性非稳态循环纯滚动接触有限元模型.材料本构采用一种较好的循环塑性模型,并通过材料用户子程序在通用有限元软件ABAQUS中自定义该本构模型.通过在弹塑性无限半空间表面上重复移动随时间按简谐规律变化的赫兹法向载荷来模拟非稳态循环纯滚动接触过程.通过数值模拟,得到接触表面附近的残余累积变形、应变和残余应力.不同的最大赫兹接触压力对残余应力和残余应变影响较大.在简谐变化的法向接触载荷作用下接触表面的变形呈波浪形,随着滚动次数的增加,该波状表面沿载荷移动相反方向逐渐移动,但移动速率要衰减.波状表面波谷处的残余应力、应变和变形大于波峰处.随滚动次数的增加,残余应力增大但很快趋于稳定,残余应变也增大但增大速率衰减.     

轴线平行圆柱体滚动接触时的轴向移动阻力

应用摩擦学中的预位移原理，求解轴线平行的两粗糙圆柱体滚动接触时的轴向移动阻力，分析了轴移速比、法向接触载荷、圆柱体表面粗糙层参数对轴向移动阻力的影响，并给出了计算轴向移动阻力的简化公式．     

NUMERICAL SIMULATION OF NON-PLANAR PLASTIC ANISOTROPY OF COLD ROLLING POLYCRYSTALLINE MATERIALS

The plastic anisotropy of sheet metal is usually caused by preferred orientation of grains, developed by mechanical deformation and thermal treatment. In the present study, a Taylor-like polycrystal model suggested by Asaro and Needleman is applied to investigate the evolution of the anisotropic behavior of a face centered cubic (FCC) polycrystalline metal, which is considered having {111} (110) slip systems, by stretching it along an arbitrary direction after it has undergonea plane-strata compression that rationally simulates the cold rolling process of FCC polycrystalline pure aluminium. By using the Taylor-like polycrystal model, pole figures are obtained to describe the texture development of polycrystalline aggregate after plane-strain compression, and then the plastic anisotropy of polycrystalline aggregate is evaluated by stretching the polycrystalline aggregate in different direction in term of yield stress. According to the results, the contours of longitudinal flow stress in three-dimensional orientation space are given and analyzed. Experiment results similar to the prediction of planar anisotropy can be found inthe literature written by Takahashi et al. that in directly show the correctness of the prediction of non-planar plastic anisotropy by this analysis.     

轮轨滚动接触力学的发展

轮轨滚动接触力学主要研究轮轨滚动接触过程中的作用行为。由于其研究的复杂性,目前在该领域的研究已基本形成既独立又关联的六个分支,它们分别是轮轨滚动接触蠕滑率/力理论、轮轨粘着、接触表面波浪形磨损、轮轨滚动疲劳、脱轨和轮轨噪音。本文综述了这几个方面研究的发展历史和现状。由于轮轨滚动接触作用的研究又是以轮轨滚动接触蠕滑率/力理论为基础的,故本文着重评述目前常用于车辆/轨道动力学和轮轨关系研究中几个经典滚动接触理论模型的优缺点。根据实际工程中轮轨作用存在的严重问题,并提出轮轨滚动接触理论及其试验在今后的研究方向和所要考虑的有关重要因素。      

岩石质量指标(RQD)的各向异性分析

各向异性是工程岩体的重要工程特性, 岩石质量指标RQD具明显的各向异性。本文运用结构面网络模拟技术, 通过结构面间距、倾角、相对夹角以及结构面组数的敏感性分析, 探讨了RQD的各向异性规律。结合实际工程应用, 提出正确引用RQD指标的建议。     

对自由滚动圆柱辊子滚动阻力系数的研究

本文应用粘弹性理论及赫芝接触原理对水平基础上自由滚动圆柱辊子的滚动阻力进行了理论研究,提出一组可用于确定滚动阻力系数及接触宽度的方程。     

粗糙表面之间接触热阻反问题研究

当两个固体表面相互接触时,由于接触面粗糙度的影响,界面间就形成了非一致接触,这种接触导致热流收缩,进而产生接触热阻. 目前的理论研究主要集中在正问题研究,对反问题的研究相对较少. 接触热阻反问题研究是通过研究部分边界温度、热流和部分测量点的温度来反演得到界面上的接触热阻. 反问题研究在很多工程领域都有应用,如航空航天、机械制造、微电子等,是工程中确定接触热阻一种快速有效的方法. 本文采用边界元法和共轭梯度法研究了二维空间随坐标变化的接触热阻反问题. 为了验证方法的准确性和可行性,假定在已知部分测量点温度和真实接触热阻的情况下,反演计算得到界面的温度和热流,进而得到接触热阻,并与真实接触热阻进行比较. 结果表明采用边界元法和共轭梯度法在无测量误差的情况下,可以准确反演获得界面的真实接触热阻. 若存在测量误差,反演计算结果对测量误差极其敏感,反演结果误差会由于测量误差的引入而被放大. 为处理这种不适定性, 采用最小二乘法对反演计算结果进行校正,结果表明采用最小二乘法能够避开反问题中一些偏离实际值较大的测量点,显著提高反演计算结果的准确性.      

接触问题应力分析的混合解法

接触问题是一个极其复杂的非线性问题,单独使用数值方法或实验方法求解应力都有一定的困难．有限元计算与平面光弹性实验相结合的混合法是对接触问题进行应力分析简单而有效的途径．     

消除初轧机系统自激振动的理论分析

 在研究初轧机因打滑等因素产生自激振动时,本文考虑了连接轴转动的影响;从而提出一个新的力学模型,建立了具有运动边界问题的微分方程,得到消除自激振动的条件．