脆性固体损伤和局部软化的有限元分析

本文研究混凝土、岩石一类工程中常用的应变软化材料的有限元分析方法。在作者以往有关粘塑性损伤本构模型的工作基础上，给出了一组便于有限元计算的本构方程表达式。包括损伤弹性矩阵和局部损伤软化矩阵，分别运用于计算硬化和软化阶段的有限元刚度矩阵；对所提出的本构方程的实验验证计算和一些算例的有限元数值分析，表明文中给出的本构方程是可行的，相应的有限元算法能较好地对损伤固体的局部软化效应进行数值分析，并可成功地追踪应力应变响应的软化曲线     

基于介观力学信息的颗粒材料损伤——愈合与塑性宏观表征

本文在二阶计算均匀化框架下提出了颗粒材料损伤--愈合与塑性的多尺度表征方法. 颗粒材料结构在宏观尺度模型化为梯度Cosserat连续体,在其有限元网格的每个积分点处定义具有离散颗粒介观结构的表征元. 建立了表征元离散颗粒系统的非线性增量本构关系. 表征元周边介质作用于表征元边界颗粒的增量力与增量力偶矩以表征元边界颗粒的增量线位移与增量转动角位移、当前变形状态下表征元离散介观结构弹性刚度、以及凝聚到表征元边界颗粒的增量耗散摩擦力表示. 基于平均场理论与Hill定理,导出了基于介观力学信息的梯度Cosserat连续体增量非线性本构关系. 在等温热动力学框架下定义了表征颗粒材料各向异性损伤--愈合和塑性的损伤、愈合张量因子与综合损伤、愈合效应的净损伤张量因子和塑性应变. 此外,定义了损伤和塑性耗散能密度与愈合能密度,以定量比较材料损伤、愈合、塑性对材料失效的效应. 应变局部化数值例题结果显示了所建议的颗粒材料损伤--愈合--塑性表征方法的有效性.      

基于介观力学信息的颗粒材料损伤-愈合与塑性宏观表征

本文在二阶计算均匀化框架下提出了颗粒材料损伤-愈合与塑性的多尺度表征方法.颗粒材料结构在宏观尺度模型化为梯度Cosserat连续体,在其有限元网格的每个积分点处定义具有离散颗粒介观结构的表征元.建立了表征元离散颗粒系统的非线性增量本构关系.表征元周边介质作用于表征元边界颗粒的增量力与增量力偶矩以表征元边界颗粒的增量线位移与增量转动角位移、当前变形状态下表征元离散介观结构弹性刚度、以及凝聚到表征元边界颗粒的增量耗散摩擦力表示.基于平均场理论与Hill定理,导出了基于介观力学信息的梯度Cosserat连续体增量非线性本构关系.在等温热动力学框架下定义了表征颗粒材料各向异性损伤-愈合和塑性的损伤、愈合张量因子与综合损伤、愈合效应的净损伤张量因子和塑性应变.此外,定义了损伤和塑性耗散能密度与愈合能密度,以定量比较材料损伤、愈合、塑性对材料失效的效应.应变局部化数值例题结果显示了所建议的颗粒材料损伤-愈合-塑性表征方法的有效性.     

粉砂岩峰后破坏区应力脆性跌落的试验和本构方程研究

对粉砂岩试样进行常规三轴压缩试验,得到了其在不同围压下的应力-应变全程曲线.结果表明,岩样应力-应变曲线峰前(破坏前区)部分的力学性质较为稳定,其力学行为可用经典强度理论进行描述;应力-应变曲线峰后(破坏后区)部分,岩样处于非稳定状态,其力学行为难以用经典强度理论来描述,而脆塑性模型恰好可以描述试验岩样的应力非连续变化特征.岩石的应力脆性跌落是有条件发生的,应力脆性跌落系数是围压的函数,并给出应力脆性跌落系数与围压的关系.对完整岩样而言,使用弹性-线性软化-残余塑性三线性非理想脆塑性模型可以描述岩样的本构特征,而对含有节理岩样而言,采用双线性弹性-线性软化-残余塑性四线型非理想脆塑性模型与试验更为相符.     

准脆性材料的弹塑性各向异性损伤耦合本构模型研究

针对准脆性材料的非线性特征：强度软化和刚度退化、单边效应、侧限强化和拉压软化、不可恢复变形、剪胀及非弹性体胀,在热动力学框架内,建立了准脆性材料的弹塑性与各向异性损伤耦合的本构关系。对准脆性材料的变形机理和损伤诱发的各向异性进行了诠释,并给出了损伤构形和有效构形中各物理量之间的关系。在有效应力空间内,建立了塑性屈服准则、拉压不同的塑性随动强化法则和各向同性强化法则。在损伤构形中,采用应变能释放率,建立了拉压损伤准则、拉压不同的损伤随动强化法则和各向同性强化法则。基于塑性屈服准则和损伤准则,构建了塑性势泛函和损伤势泛函,并由正交性法则,给出了塑性和损伤强化效应内变量的演化规律,同时,联立塑性屈服面和损伤加载面,给出了塑性流动和损伤演化内变量的演化法则。将损伤力学和塑性力学结合起来,建立了应变驱动的应力-应变增量本构关系,给出了本构数值积分的要点。以单轴加载-卸载往复试验识别和校准了本构材料常数,并对单轴单调试验、单轴加载-卸载往复试验、二轴受压、二轴拉压试验和三轴受压试验进行了预测,并与试验结果作了比较,结果表明,所建本构模型对准脆性材料的非线性材料性能有良好的预测能力。     

弹塑性损伤本构关系的显式积分算法研究

首先引入弹塑性损伤本构关系,分别从材料软化与残余应变两个方面,描述伪脆性材料的非线性行为.针对结构动力分析中的强非线性问题,给出了弹塑性损伤本构关系的显式积分算法.算法中引入算子分解的思想,将弹塑性本构关系分成塑性与损伤两个模块.首先求解塑性模块,根据有效应空间塑性演化公式,采用前进欧拉算法,直接构造塑性演化的预测值,并且根据屈服函数的漂移构造了误差限公式,作为衡量显式算法精度的指标.将塑性模块求解的结果代入损伤模块,可以方便地求得损伤变量的演化,并最终得到更新后的应力.整个求解过程不需要迭代,可最大程度的算法稳定性.将论文建立的本构关系显式算法与结构分析显式算法结合,构造了结构显式分析方法,并模拟了两个经典算例,算例结果验证了论文方法的有效性.     

聊聊动态塑性和黏塑性

固体力学研究者致力于具有应力-应变本构关系（以下简称为形变型本构关系）的变形体的力学响应研究,而流体力学研究者致力于具有应力-应变率本构关系（以下简称为流动型本构关系）的流动体的力学响应研究。当涉及结构和材料的动态塑性时,到底应该用“塑性变形”还是“塑性流动”来表示？本文从宏观塑性本构理论和微观位错动力学机理两个角度,分别讨论并指出塑性本构关系属于流动型黏塑性率相关本构关系,且同时适用于加载和卸载;因而不应该用应力-应变图来描述塑性加-卸载过程。弹塑性本构关系则是一种形变型和流动型本构关系的耦合。     

一个综合模糊裂纹和损伤的混凝土应变软化本构模型

本文研究就变软化材料的本构关系，提出了一个考虑损伤的粘塑性模型，损伤不仅影响材料的临界应力，而且影响材料的粘塑性，为模拟材料的应变软化行为，假设受损混凝土的破坏局部区域由模糊裂纹和损伤所统治，软化模量和局部区域尺度参量依赖于模糊裂纹扩展时释放的断裂能的参变量，用文中提出的模型计算了混凝土单轴压缩时不同应变速率下的瞬时应力应变响应以及等应力长期作用下的徐变，均得到很的结果。     

弹塑性耦合和广义正交法则

用塑性增量理论表述岩石、土、混凝土及某些复合材料的本构性质时,必须考虑这些介质的如下特点:(1)应变软化性质;(2)弹性系数随塑性变形的发展而变化,这称为弹塑性耦合;(3)塑性势函数与屈服(或加载)函数不同,通常称之为非关联流动规律。对上述的岩土类介质,在刚性试验机上做试验,可以得到包括强化阶段和软化阶段的全部应力应     

对膨胀壳体材料失稳的一种简化处理

提出一种简化的塑性失稳处理并被作为高应变率拉伸下材料破坏的粗估判据。这种准则假设局部化失稳在如下条件下发生:应变及应变率硬化率恰被几何及热软化率平衡。指出了经验本构方程及本征本构方程对膨胀断裂应变的影响。通过算例也说明了热软化壳体在内压作用下的破裂过程。     

混凝土动态冲击问题的一种欧拉数值方法

针对混凝土的动态冲击问题给出了混凝土的Holmquist Johnson Cook本构关系 ,本构关系中的等效强度作为压力、应变率和损伤的函数 ;压力表示为体积应变的函数 ,并考虑了永久破碎的效应 ;积累损伤作为等效塑性应变、塑性体积应变和压力的函数。结合三维弹塑性流体力学欧拉数值方法 ,提出了混凝土的Holmquist Johnson Cook本构关系与欧拉程序相结合的计算方法。介绍了带混凝土Holmquist Johnson Cook本构关系的三维弹塑性流体力学欧拉程序。     

岩体—界面系统剪切不稳定性分析

基于界面的刚塑性应变软化假设，分析了岩体－界面系统在端部剪力和岩体中分布剪切载荷共同作用下的变形、应力和损伤演化。利用位能原理和稳定性的能量准则，得到了岩体界面系统的不稳定性条件。分析结果表明，损伤区达到边界之前，系统可能是稳定的或者是不稳定的。依赖于分布剪切载荷和界面摩擦力的比较，若均布剪切载荷大于界面摩擦力，则系统不稳定，否则系统稳定；当损伤区达到边界之后，系统的不稳定性决定于载荷及界面材料性质，界面软化刚度系数和界面强度对于不稳定性有明显影响。     

脆性固体非弹性和软化性能的损伤本构模拟

本文概要地介绍了作者近年来在脆性固体粘塑性损伤本构模型方面的工作。首先，通过假设损伤率依赖于粘塑性应变率和应力变化率，提出了一个考虑损伤演化及其对材料力学性能的影响的粘塑性损伤本构模型。     

金属热黏塑性本构关系的研究进展

金属材料的塑性流动行为依赖于温度和应变率,温度和应变率敏感性是金属材料塑性流动的最重要的本质特性之一,建立合适的热黏塑性本构关系来准确描述金属塑性流动行为的温度和应变率依赖性,是金属材料能被广泛应用的必要前提。为此,对金属热黏塑性本构关系的最新研究进展进行了综述,介绍了常见的几种金属热黏塑性本构关系并进行了详细讨论,给出了各本构关系的优势与不足,最后系统介绍了包含金属塑性流动行为中出现的第三型应变时效、或K-W锁位错结构引起的流动应力随温度变化出现的反常应力峰以及拉压不对称等行为的金属热黏塑性本构关系的研究进展。     

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.     

围压状态下的混凝土本构模型

利用已有不同围压下的混凝土三向压缩试验, 分析研究不同围压条件对混凝土强度和应力-应变关系的影响。试验表明, 把混凝土简单视为脆性材料的观点并不符合实际情况, 塑性特征也是混凝土材料主要力学特征。由热力学定律出发, 本文提出了多次方形式的屈服函数和与围压状态相关联的损伤标准化函数, 提出了考虑围压状态的混凝土本构模型。试验结果与数值计算比较表明, 该本构关系可以很好地描述混凝土在不同围压状态下的力学损伤发展和脆-塑性转换力学特征, 也可以描述拉伸作用下的应力-应变关系, 具有一定的普遍意义。     

压缩载荷作用下岩石的细观损伤和塑性研究

建立岩石微裂纹扩展的细观力学模型,研究了岩石的细观损伤和塑性性质.压缩载荷下微裂纹尖端翼裂纹稳定扩展表征岩石的细观损伤,采用应变能密度准则求解复合型断裂的翼裂纹扩展长度,微裂隙统计的二参数Weibull函数模型反映绝对体积应变对微裂纹分布数目影响,进而用翼裂纹扩展所表征的应力释放体积和微裂纹数目来表示含有微裂隙的岩石损伤演化变量;宏观塑性屈服函数采用Voyiadjis等的等效塑性应变的硬化函数,反映了塑性内变量对硬化函数的影响;建立岩石模型的本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制了模型的本构程序.分析弹塑性损伤模型的围压对岩石损伤的影响,并从围压和短微裂隙长度等因素分析模型的岩石的损伤和宏观塑性特性.     

岩体介质渐进破坏的弹塑性本构关系

本文把作者和曲圣年提出的岩体介质的应变软化,非关联和弹塑性耦合的本构关系推广到独立作用加载面的情况.并应用这种理论,具体地给出了具有强化帽和渐进破坏屈服面的岩体介质本构关系.     

第三型应变时效的提出与研究进展

第三型应变时效现象的发现使得传统的对于金属塑性流动行为的认识、位错的热激活理论以及常见的金属热粘塑性本构模型均需要进一步完善。为了系统地认识第三型应变时效,首先介绍了第三型应变时效现象区别于静态应变时效和Portevin-Le Chatelie动态应变时效的宏观特征,其次,对第三型应变时效的微观机理以及第三型应变时效与Portevin-Le Chatelier动态应变时效、蓝脆现象以及机械波谱的关联性进行了系统总结。最后,介绍了包含第三型应变时效的金属热黏塑性本构模型的发展。     

2021-05期目录

第三型应变时效现象的发现使得传统的对于金属塑性流动行为的认识、位错的热激活理论以及常见的金属热粘塑性本构模型均需要进一步完善.为了系统地认识第三型应变时效,首先介绍了第三型应变时效现象区别于静态应变时效和Portevin-Le Chatelie动态应变时效的宏观特征,其次,对第三型应变时效的微观机理以及第三型应变时效与Portevin-LeChatelier动态应变时效、蓝脆现象以及机械波谱的关联性进行了系统总结.最后,介绍了包含第三型应变时效的金属热黏塑性本构模型的发展.