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。     

综合考虑宏细观缺陷的岩体动态损伤本构模型

针对节理岩体同时含有节理、裂隙等宏观缺陷及微裂隙、微孔洞等细观缺陷的客观事实, 提出了在节理岩体动态损伤本构模型中应同时考虑宏细观缺陷的观点。为此, 首先对基于细观动态断裂机理的经典岩石动态损伤本构模型—TCK(Taylor-Chen-Kuszmaul)模型进行了阐述, 其次基于Lemaitre等效应变假设推导了综合考虑宏细观缺陷的复合损伤变量(张量), 进而在此基础上建立了相应的节理岩体动态损伤本构模型, 并利用该模型讨论了载荷应变率及节理条数对岩体动态力学特性的影响规律。结果表明, 在不同载荷应变率下试件在变形初始阶段是重合的, 而后随着应变的增加, 试件峰值强度、峰值应变及总应变均随载荷应变率的增加而增加; 随着节理条数的增加, 试件峰值强度逐渐降低, 但降低趋势逐渐变缓并趋于某一定值。上述研究结论与目前的理论及实验研究结果的基本规律是一致的, 说明了本模型的合理性。     

考虑损伤的节理本构模型

本文在弹塑性损伤的理论框架内，讨论了节理等地质间断面的本构模型。这个模型能够反映节理面的损伤弱化，扩容和弹性刚度劣化等复杂特性。这个模型的另一优点是，塑性变形增量与屈服面是非正交的，但本构矩阵具有对称性。这种对称性在岩石力学的理论研究和数值分析中是至关紧要的。     

节理岩体爆生裂纹扩展动态焦散线模型实验研究

应用动态焦散线测试系统,模拟含节理岩体断裂爆破过程,进行了PMMA模型透射式动态焦散线实验,着重研究了爆炸初始裂纹与节理面夹角不同的情况下,裂纹尖端动态强度因子的变化规律、裂纹穿过节理面的扩展规律、以及炮孔与节理距离不同时裂纹穿过节理扩展的规律。实验结果分析表明,爆生裂纹穿过节理面时,裂纹尖端的动态强度因子和裂纹扩展速度显著下降,穿过节理面后,强度因子又增强;裂纹穿过节理面时,裂纹会沿节理面偏离一段距离后沿原方向继续扩展。实验结果还表明,炮孔与节理间距适宜的情况下,裂纹才会穿过节理继续扩展,间距太小和过大都不利于裂纹的扩展。     

在应力空间描述岩体损伤本构关系的一种模型

在分析岩体经观和宏观损伤特征及其与岩体非弹性变形之间关系的基础上,运用损伤面来定义生－－损伤准则,建立了在应力空间描述岩体损伤本构关系一种模型,并对该模型在工程中的应用进行了讨论。     

非贯通裂隙岩体损伤演化率相关性及变形特征

含非贯通裂隙岩体是自然界中岩体的主要赋存形式,其裂隙几何特征对岩体的强度及变形均产生显著影响。应变率对岩体的损伤演化及黏滞效应也具有显著的率相关性。首先,运用模型元件的方法,将非贯通裂隙岩体动态破坏过程视为具复合损伤、静态弹性特性、动态黏滞特性的非均质点组成,对黏弹性响应的Maxwell体进行改进,将细观损伤体与裂隙损伤演化的宏观损伤体根据等效应变假设并联组成宏细观复合损伤体,构建综合考虑岩体宏细观缺陷的动态损伤模型;其次,基于断裂力学及应变能理论,对岩体宏观裂隙动态扩展的能量机制进行分析,综合考虑初始裂隙应变能、裂隙动态损伤演化过程应变能、裂隙闭合应变能,得到裂隙岩体宏观动态损伤变量计算公式;最后,将模型计算结果与实验结果进行比较,模型计算结果与实验结果吻合较好,证明了模型的合理性,同时利用模型讨论了裂隙倾角、应变率、岩石性质对岩体变形特征的影响规律。     

基于细观结构的HTPB固体推进剂含损伤粘弹性本构模型研究

基于对HTPB推进剂的拉伸试验,结合推进剂的细观结构对拉伸曲线进行分段和拟合;建立了推进剂四阶段损伤模型,并将推进剂的力学性能构成分为基体-颗粒界面和基体两部分,提出了推进剂杨氏模量的叠加模型;在试验和拟合结果的基础上,分别建立基体-颗粒界面和基体的损伤方程,较为准确地描述了推进剂拉伸损伤过程,并将其引入杨氏模量的叠加...     

冲击荷载作用下混凝土材料的细观本构模型

将混凝土材料看成是水泥砂浆基体和粗骨料颗粒组成的2相复合材料,假设水泥砂浆基体和粗骨料颗粒均为弹性、均匀、各向同性的,粗骨料颗粒为球形。基于Mori-Tanaka理论和Eshelby 等效夹杂理论推出了混凝土材料弹性模量的计算公式。在Horii和Nemat-Nasser提出的脆性材料在双轴向压应力作用下破坏的滑移裂纹模型基础上,运用细观力学方法推导了微裂纹对材料弹性模量的弱化作用以及微裂纹的损伤演化方程。建立了混凝土材料在冲击荷载作用下的一维动态本构模型,模拟曲线与实验曲线符合良好,因而可以用该模型模拟混凝土材料在冲击荷载下的动态特性。     

陶瓷材料动态压缩损伤本构模型

运用细观损伤力学理论,从动态压缩载荷下陶瓷材料内翼型裂纹的产生和扩展的损伤机理出发,建立了陶瓷材料的弹脆性动态损伤本构模型,给出相应的损伤演化方程.假设裂纹成核满足Weibull分布,讨论了成核分布参数、原始缺陷尺寸对材料动态断裂应力、断裂应变的影响,并用动态损伤演化模型计算了冲击载荷下AD90陶瓷的动态应力应变曲线,计算结果和实验结果符合很好.     

深部节理岩体塑性损伤耦合微面模型

采用微面模型理论和损伤力学方法,建立了节理岩体的弹塑性损伤耦合微面模型. 在节理岩体的微面上,将岩体视为由节理面与岩石组成的二元介质,以节理连通率作为岩体沿该方向的面积损伤变量,考虑微面法向拉应力和压应力下的不同塑性变形和损伤耦合作用机制,基于塑性理论建立了节理岩体的微面塑性损伤增量本构关系. 采用微面物理量与宏观物理量的几何约束模型,根据微面方向积分导出了节理岩体的宏观弹塑性增量本构关系. 编制了节理岩体微面模型的MARC有限元子程序,对节理岩体的单轴拉伸、压缩试验和泥浆压力作用下的井壁稳定问题进行了数值模拟研究. 数值计算结果表明,该模型能很好地揭示载荷作用下节理岩体的各向异性非弹性变形和次生节理演化过程.      

A dynamic damage constitutive model for a rock mass with non-persistent joints under uniaxial compression

Most problems faced by the practicing rock mass engineering involve the evaluation of rock mass dynamic strength and deformability. As part of a rock mass, the mesoscopic flaws such as the microcracks and the macroscopic ones such as the joints both inherently affect the rock mass dynamic strength and deformational behavior. Nearly none of the existing models can handle the co-effect of these two kinds of flaws on the rock mass dynamic mechanical behavior. This study focusses on the rock mass with multi-sets of non-persistent joints and establishes a mathematical model accounting for the anisotropy in dynamic strength and deformability induced by the joints. Accordingly, an approach incorporating the existing models or methods to enable perfect simulation of the dynamic stress-strain relationship of a rock mass is proposed, in which the joint geometrical parameters such as the joint length and dip angle, the strength ones such as the joint internal friction and the deformational ones such as the joint normal and shear stiffness can all be taken into account. In order to investigate the validity of the proposed model, a series of calculation examples have been made and the results fits very well with the theoretical ones.     

高应变率下计及损伤演化的材料动态本构行为

材料在高速变形过程中常常伴有不同形式的内部缺陷或微损伤的演化。大量的实验观察表明,损伤演化同时依赖于应变、应变率和温度,而且高应变率和低温之间有某种等价性。由此基于热激活机制,提出了同时依赖于应变率和应变的微损伤演化律,及相应的计及损伤弱化效应的率型本构关系。以聚丙烯/尼龙（PP/PA）共混高聚物为例,具体研究了其计及损伤演化的ZWT本构关系,并区分其率相关的本构响应及率相关的损伤演化响应。     

Investigation on elasto-plastic constitutive model coupled with damage for localization phenomena

On the basis of existing plasticity-based damage model for plasticity coupled with damage for localization analysis, constitutive parameter identification was carried out through a series of numerical tests at local level. And then improvements were made on the expressions of the evolution laws of damage. Strain localization phenomena were simulated with a typical double-notched specimen under tensions. Numerical results indicate the validity of the proposed theory.     

混凝土损伤本构模型下梁承载力研究

为解决混凝土非线性特性难以描述的难题,通过MTS815.02岩石电液伺服系统,对圆柱体混凝土试件施加定围压比为0.2的围压,得出C25、C35、C45混凝土在＂理想无损伤＂状态下的应力-应变曲线;用Ramberg-Osgood公式描述其应力-应变关系,引入损伤变量演化方程,进而得出混凝土一维受压损伤本构模型。通过与实验数据的对比证明了模型的有效性和准确性;详细地分析了无初始损伤条件下配筋梁受弯破坏时的损伤演化过程;计算C25、C35、C45钢筋混凝土梁的受弯承载力。分析结果显示：随着混凝土强度由C25提高到C45,按此模型计算与按规范公式计算所得梁承载力的差异由1.9%升高至2.84%;下降段损伤累积量占总体损伤度的比例由46.26%升高至86.04%。研究表明,本文的分段曲线损伤模型可以较好地模拟梁混凝土的非线性受压过程,并能够给出损伤程度的预测。     

泰勒杆实验对材料动态本构参数的确认和优化确定

通过实验数据和数值模拟结果的对比,研究了泰勒杆实验在材料动态本构关系参数确认和优化方面的应用。以Johnson-Cook模型描述的oxygen-free high-conductivity（OFHC） copper材料为例进行了具体说明,并对实验中的部分不确定因素进行了分析。结果表明,利用该方法对材料本构模型参数进行确认和优化确定是合理的。     

基于分形理论的高强混凝土动态损伤本构关系

基于高强混凝土（HSC）试块在SHPB冲击实验中的分形损伤演化规律,推导了HSC的分形损伤变量表达式,标定了HSC裂纹的分形维数范围。然后参考ZWT模型,并结合HSC实验过程中的应变率相关性、动态损伤特性及近似恒应变率,推导了分形损伤演化的HSC动态损伤本构方程。采用4组应变率工况下的C60、C80混凝土应力-应变曲线对本构方程进行验证,理论曲线和实验曲线吻合较好。

     

水泥砂浆的一个热粘弹性率型损伤本构模型

利用SHPB实验系统及自行研制的混凝土类材料快速高温加热设备,对水泥砂浆试件进行了不同 温度(20~600℃)和3种冲击速度下的实验,得到了不同温度和冲击速度下水泥砂浆试件的应力应变关系曲 线。基于ZWT粘弹性本构模型,并且考虑高温下水泥砂浆损伤演化规律都服从Weibull分布,提出了一个水 泥砂浆的热粘弹性率型损伤本构模型。通过数据拟合,获得了本构模型的相关参数,结果表明:理论预测和实 验结果吻合良好。     

基于微态方法的耦合韧性损伤的弹塑性本构模型

基于广义连续介质力学提出了一个热力学一致性的耦合微态韧性损伤的弹塑性本构模型。该模型遵循Forest的微态方法,在有限变形中提出引入额外的微态损伤因子及其一阶梯度以考虑材料的内部特征尺度。通过广义虚功原理得到了微态损伤的补充控制方程,对亥姆霍兹自由能进行扩展,得到了新的包含微态损伤变量的损伤能量释放率,在微态损伤的正则化作用下,采用隐式迭代更新局部损伤和应力等状态变量。基于Galerkin加权余量法,推导了以传统位移和微态损伤为基本未知量的有限元列式。利用该数值模型,对DP1000材料的单向拉伸实验和十字形零件的冲压实验进行了应变局部化与材料断裂的有限元分析。结果表明,该微态弹塑性损伤模型可以得到一致的有限元模拟响应曲线并收敛到实验曲线,从而避免发生网格依赖性问题。