考虑损伤的内变量黏弹--黏塑性本构方程

基于Rice不可逆内变量热力学框架,在约束构型空间中讨论材料的蠕变损伤问题.通过给定具体的余能密度函数和内变量演化方程推导出考虑损伤的内变量黏弹--黏塑性本构方程.通过模型相似材料单轴蠕变加卸载试验对一维情况下的本构方程进行参数辨识和模型验证,本构方程能很好地描述黏弹性变形和各蠕变阶段.不同的蠕变阶段具有不同的能量耗散特点.受应力扰动后,不考虑损伤的材料系统能自发趋于热力学平衡态或稳定态.在考虑损伤的整个蠕变过程中,材料系统先趋于平衡态再背离平衡态发展.能量耗散率可作为材料系统热力学状态偏离平衡态的测度;能量耗散率的时间导数可用于表征系统的演化趋势;两者的域内积分值可作为结构长期稳定性的评价指标.     

考虑损伤的内变量黏弹-黏塑性本构方程

基于Rice 不可逆内变量热力学框架,在约束构型空间中讨论材料的蠕变损伤问题. 通过给定具体的余能密度函数和内变量演化方程推导出考虑损伤的内变量黏弹-黏塑性本构方程. 通过模型相似材料单轴蠕变加卸载试验对一维情况下的本构方程进行参数辨识和模型验证,本构方程能很好地描述黏弹性变形和各蠕变阶段.不同的蠕变阶段具有不同的能量耗散特点. 受应力扰动后,不考虑损伤的材料系统能自发趋于热力学平衡态或稳定态. 在考虑损伤的整个蠕变过程中,材料系统先趋于平衡态再背离平衡态发展. 能量耗散率可作为材料系统热力学状态偏离平衡态的测度;能量耗散率的时间导数可用于表征系统的演化趋势;两者的域内积分值可作为结构长期稳定性的评价指标.      

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。     

耦合蠕变损伤的Chaboche粘塑性模型的研究

Chaboche粘塑性统一本构模型由于没有包含损伤变量,在应力恒定时只能得到不变的塑性应变速率,因此不能描述蠕变第三阶段的加速过程.该文按照Lemaitre有效应力的概念,采用Kachanov损伤演化方程,推导了耦合损伤的Chaboche粘塑性流动方程和硬化方程,并链接到有限元软件ANSYS中,将之用于高温合金钢P91的蠕变寿命计算,结果表明耦合损伤模型的模拟值与实验数据基本吻合;为该模型描述蠕变损伤和疲劳交互作用奠定了基础.     

混凝土黏塑性动力损伤本构关系

从静力弹塑性损伤本构关系的基本框架出发, 综合考虑塑性应变与损伤 演化的率敏感性, 建立了能够较为全面地描述混凝土在动力加载条件下非线性性能的混凝土 黏塑性动力损伤本构模型. 为了考虑塑性应变的率敏感性, 基于Perzyna理论推导了有效应 力空间黏塑性力学基本公式, 采用改进的Perzyna型动力演化方程, 将损伤静力演化方程推 广到动力加载情形. 基于并联弹簧模型, 从概率论的角度推导给出了一维损伤静力演化方程, 并基于能量等效应变的基本概念将其推广到多维损伤演化. 利用数值模拟, 计算得到了 混凝土在不同应变率下的应力应变全曲线, 同时得到了一维动力提高因子和二维动力强度包 络图, 数值结果与试验结果的对比表明了该模型的有效性.     

一种新的岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究

为了克服传统元件组合模型不能描述岩石蠕变过程中非线性特征的缺陷,首先根据加速蠕变阶段的应变和应变率随蠕变时间急剧增大的特点,建立黏塑性应变与蠕变时间的指数函数关系并提出非线性黏塑性体．将该非线性黏塑性体与广义Burgers蠕变模型串联,建立可以描述岩石全蠕变过程的非线性黏弹塑性蠕变模型,根据叠加原理得到一维应力状态下的轴向蠕变方程．然后基于塑性力学理论指出岩石三维蠕变本构方程建立过程中的不足之处,并给出非线性黏弹塑性蠕变模型合理的三维蠕变方程．最后采用不同应力水平下砂岩轴向蠕变试验对模型合理性进行验证,结果表明：拟合曲线与试验曲线吻合度较高,所建蠕变模型能够很好地描述砂岩在不同应力水平下的蠕变变形规律,尤其对加速蠕变阶段的非线性特征描述效果很好,验证了模型的合理性．     

超弹性镍钛形状记忆合金单轴相变棘轮行为的宏观唯象本构模型

超弹性镍钛形状记忆合金因其良好的力学性能以及独特的超弹性和形状记忆效应已广泛应用于土木工程、航空航天和生物医疗等多个领域,在实际服役环境中超弹性镍钛合金元件不可避免地会承受不同应力水平的循环载荷作用,亟待建立描述相变棘轮行为(即峰值应变和谷值应变随着正相变和逆相变循环的进行不断累积)的循环本构模型.为此,基于已有的超弹性镍钛形状记忆合金在不同峰值应力下的单轴相变棘轮行为实验研究结果,在广义黏塑性框架下,对Graesser等提出的通过背应力非线性演化方程反映超弹性镍钛形状记忆合金超弹性行为的一维宏观唯像本构模型进行了拓展,考虑了正相变和逆相变过程中特征变量的差异及其随循环的演化,以非弹性应变的累积量为内变量引入了正相变开始应力、逆相变开始应力、相变应变和残余应变的演化方程,同时通过峰值应力与正相变完成应力的比值来确定演化方程中的相关系数,建立了描述超弹性镍钛合金单轴相变棘轮行为的本构模型.将模拟结果与对应的实验结果进行对比发现,建立的宏观唯像本构模型能够合理地描述超弹性镍钛形状记忆合金的单轴相变棘轮行为及其峰值应力依赖性,模型的预测结果和实验结果吻合得很好.     

考虑微观结构特征长度演化的内变量黏塑性本构模型

在金属晶体材料高应变率大应变变形过程中,存在强烈的位错胞尺寸等微观结构特征长度细化现象,势必对材料加工硬化、宏观塑性流动应力产生重要影响。基于宏观塑性流动应力与位错胞尺寸成反比关系,提出了一种新型的BCJ本构模型。利用位错胞尺寸参数,修正了BCJ模型的流动法则、内变量演化方程,引入了考虑应变率和温度相关性的位错胞尺寸演化方程,建立了综合考虑微观结构特征长度演化、位错累积与湮灭的内变量黏塑性本构模型。应用本文模型,对OFHC铜应变率在10-4~103 s-1、温度在298~542 K、应变在0~1的实验应力-应变数据进行了预测。结果表明:在较宽应变率、温度和应变范围内,本文模型的预测数据与实验吻合很好;与BCJ模型相比,对不同加载条件下实验数据的预测精度均有较大程度的提高,最大平均相对误差从9.939%减小为5.525%。     

黏弹-Perzyna黏塑性有限元法应力更新隐式算法

黏弹-黏塑性耦合模型的黏弹性部分由弹簧、黏壶和Kelvin链串联而成,黏塑性部分为双曲线型DruckerPrager屈服函数、各向同性硬化和Perzyna黏塑性流动模型。基于黏弹性蠕变柔度,通过定义与弹性问题相对应的与时间增量相关的黏弹性剪切模量和体积模量,导出增量递推形式的本构方程。为保证算法的收敛和稳定性,把Perzyna黏塑性流动方程转化为与弹塑性相似的一致性条件,建立黏塑性增量因子单侧逼近其收敛值的N-R迭代算法。最后,给出应力更新完全隐式算法和最终计算公式。分别采用黏弹性、黏弹-塑性和黏弹-黏塑性本构关系对一地基蠕变模型进行三维有限元分析和比较,结果表明,本文算法具有较高的计算效率和稳定性。     

单晶有限变形的热力耦合计算模型

以弹性变形梯度作为基本变量,结合热力学理论构造了单晶有限变形的热、力耦合计算模型。该模型考虑了温度、变温速率以及塑性耗散等条件对单晶有限变形的影响,相对于传统的以弹性变形梯度为基本变量的晶体塑性模型,算法能够体现温度效应的影响。采用隐式的积分方法对建立的控制方程进行计算以保证求解过程的稳定。以1100Al单晶为例计算了不同升温、降温速率,以及不同应变率影响下的材料应力-应变的响应。结果表明,模型能较好地反映变温过程中,单晶各向异性性质的演化以及应力、应变之间关系的变化。     

Damage-induced nonassociated inelastic flow in rock salt

The multimechanism deformation coupled fracture model recently developed by Chanet al. [1992], for describing time-dependent, pressure-sensitive inelastic flow and damage evolution in crystalline solids was evaluated against triaxial creep experiments on rock salt. Guided by experimental observations, the kinetic equation and the flow law for damage-induced inelastic flow in the model were modified to account for the development of damage and inelastic dillation in the transient creep regime. The revised model was then utilized to obtain the creep response and damage evolution in rock salt as a function of confining pressure and stress difference. Comparison between model calculation and experiment revealed that damage-induced inelastic flow is nonassociated, dilational, and contributes significantly to the macroscopic strain rate observed in rock salt deformed at low confining pressures. The inelastic strain rate and volumetric strain due to damage decrease with increasing confining pressures, and all are suppressed at sufficiently high confining pressures.     

A non-equilibrium thermodynamic geometric structure for thermoviscoplasticity with maximum dissipation

A maximum dissipation principle induces a class of viscoplastic evolution equations within a non-linear, non-equilibrium thermodynamic structure which extends Gibbs thermostatics. The evolution of a relaxation process is determined through non-linear affinities, which generalize the linear Onsager construct, along with the maximum dissipation principle and the long term states. The relaxation modulus is the norm of the plastic strain rate. Forced processes, in which the control variables change with time, are assumed to be relaxation processes at each instant. This class of thermoviscoplastic models includes the three-dimensional Freed–Chaboche–Walker model in which the internal state variables are the back stress, the drag strength and the elastic yield strength for creep initiation.     

STUDY OF CREEP PARAMETERS OF GRANITE IN STEADY STATE UNDER CONDITIONS OF HIGH TEMPERATURE AND HYDROSTATIC PRESSURE

高温高压花岗岩钻孔实验表明,温度低于500℃,静水应力低于150MPa 状态下,岩体的钻孔变形均属于稳态蠕变变形阶段. 该文选取了广义开尔文模型来反映其特征,通过拉普拉斯变换及逆变换,详细推演出了钻孔径向位移解析解,并且考虑温度-应力的耦合效应,给出了模型参数随温度及应力变化的关系式. 利用该关系进行拟合计算,说明广义开尔文模型来表达高温高压环境中的花岗岩稳态蠕变变形特性,寻求蠕变参数是合理可靠的. 该文对于高温岩体地热资源开发中的钻孔施工与维护、钻孔变形量预测等方面,具有实际的指导意义.     

EXPERIMENTAL RESEARCH ON FAILURE AND ENERGY DISSIPATION CHRACTERISTICS OF THE SANDSTONE1)

通过三轴卸荷试验,探究了不同路径下卸荷速率对砂岩力学特性及破坏过程中的能量耗散的影响。试验结果表明在全过程应力-应变曲线的弹性阶段,轴向变形起主导作用,弹塑性阶段,环向应变的增加值大于轴向应变增加值。在围压卸荷阶段,卸荷速率越小,卸荷阶段的应变折合柔度越大,此时岩样的变形不充分,呈现明显的脆性破坏。恒主应力差路径下的耗散能大于恒轴压路径下的耗散能的35%,卸荷速率越大,岩样的弹性应变能越小。     

THE FATIGUE CONSTITUTIVE MODEL OF CONCRETE BASED ON MICRO-MESO MECHANICS

该文致力于混凝土疲劳损伤发展机理的微细观解释. 以速率过程理论为基础,通过考虑裂纹断裂过程区中的水分子动力作用,在细观尺度上建立了具有物理机理的疲劳损伤能量耗散表达式. 结合细观随机断裂模型,以宏观损伤力学为框架,建立了疲劳损伤演化方程. 通过数值模拟,计算了单轴受拉时的疲劳损伤演化以及不同加载幅度下的疲劳寿命. 与相关试验结果的对比显示出该文模型能够很好地表现混凝土材料的疲劳损伤演化过程.     

基于能量法的矿柱稳定性分析

能量法因可以避免研究采场结构失稳破坏的中间复杂受力过程,所以受到研究者的青睐. 人工矿柱是地下矿山一种重要的采场结构,由于其失稳破坏过程的应力、应变较复杂,因此从能量守恒的角度对其承载上覆岩体的稳定性进行综合评判和研究. 通过对人工矿柱的受力特性和破坏模式进行分析,建立其力学模型,根据能量守恒原理得出考虑外载荷做功、自重势能和应变能条件下的人工矿柱总能量方程,推导出了人工矿柱势能函数表达式. 基于突变理论知识,构建了在考虑弹性模量、高宽比等参数条件下的人工矿柱能量极限状态方程,根据势函数的稳定判据得出外载荷的临界应力函数关系式,系统讨论和分析了外载荷变化过程对人工矿柱稳定性的影响,定量评判了人工矿柱受外界载荷的影响程度. 最后将所建立的临界应力函数关系式对焦冲金矿人工矿柱尺寸进行优化设计,经现场实测人工矿柱承受载荷约为其理论设计临界载荷的十分之一,达到安全支护规范要求;经过多年的金属矿山现场生产实践,人工矿柱及覆岩都较稳定,能够满足矿山安全生产的需要. 研究结果表明所建立的人工矿柱能量极限状态方程,可为地下金属矿山人工矿柱的合理设计提供理论依据.      

基于能量耗散的岩石脆性评价方法

脆性评价是页岩气钻井以及压裂工艺设计的重要环节.然而,现今对于脆性的定义十分模糊,且脆性评价的方法没有成熟的理论作为支撑.本文以岩石应力应变关系为基础,采用能量法来进行储层岩石脆性评价.根据断裂力学裂纹尖端的非线性场理论,以前端区作为尖端特殊的屏蔽构型,来描述储层岩石在断裂过程中能量的耗散. 通过计算本征内聚力与前端区稳态阻力比值来表征储层岩石的脆性指数. 研究表明,能量耗散相对越大,岩石的脆性指数越低,其塑性特征表现得越明显. 基于能量耗散的储层岩石脆性评价是分析岩石力学特性的重要内容,也为压裂选层提供了重要依据.