土体的本构模型和超重力物理模拟

数值模拟和物理模拟是分析土体沉降和稳定性的主要手段. 本构模型作为描述土体应力应变关系的数学表达式, 是数值模拟的基础. 土体具有碎散性, 这一基本物理特性导致了其具有压硬性、摩擦性和剪胀性, 这是土的力学特性区别于金属的主要特征, 在土体的本构模型中必须反映这3个基本特性. 传统土力学将土体的变形和强度分离考虑, 分别采用弹性理论和基于刚塑性模型的极限平衡理论分析, 虽然应用广泛, 但由于不能全面地反映土的基本力学特性, 计算结果的精度常常难以满足定量分析的需要. 剑桥模型作为第一个全面反映压硬性、摩擦性和剪胀性的弹塑性本构模型, 实现了变形和强度的统一, 能较好地描述饱和正常固结黏土的应力应变关系, 被视为是现代土力学的开端; 统一硬化模型通过引入一个独特的硬化参数进一步发展了剑桥模型, 将适用范围扩大到超固结黏土. 作者认为, 未来岩土体本构模型研究的挑战是: 如何考虑岩土体在受力过程中土骨架相变与多场耦合, 以解决目前本构模型尚无法定量分析的能源、交通、环境和水利相关的重大岩土工程问题. 超重力物理模拟具有缩尺效应和缩时效应, 克服了常重力物理模拟中模型的应力水平低于原型的缺点, 特别适用于大尺度、长历时问题的模拟. 相较数值模拟, 超重力物理模拟的优势在于能够检验本构模型的合理性, 揭示本构模型无法描述的未知特性. 最后, 介绍了采用数值模拟和物理模拟联合分析大直径钢管桩水平受荷特性的工程案例.      

CONSTITUTIVE MODELS AND HYPERGRAVITY PHYSICAL SIMULATION OF SOILS$^{\bf 1)}$

数值模拟和物理模拟是分析土体沉降和稳定性的主要手段. 本构模型作为描述土体应力应变关系的数学表达式, 是数值模拟的基础. 土体具有碎散性, 这一基本物理特性导致了其具有压硬性、摩擦性和剪胀性, 这是土的力学特性区别于金属的主要特征, 在土体的本构模型中必须反映这3个基本特性. 传统土力学将土体的变形和强度分离考虑, 分别采用弹性理论和基于刚塑性模型的极限平衡理论分析, 虽然应用广泛, 但由于不能全面地反映土的基本力学特性, 计算结果的精度常常难以满足定量分析的需要. 剑桥模型作为第一个全面反映压硬性、摩擦性和剪胀性的弹塑性本构模型, 实现了变形和强度的统一, 能较好地描述饱和正常固结黏土的应力应变关系, 被视为是现代土力学的开端; 统一硬化模型通过引入一个独特的硬化参数进一步发展了剑桥模型, 将适用范围扩大到超固结黏土. 作者认为, 未来岩土体本构模型研究的挑战是: 如何考虑岩土体在受力过程中土骨架相变与多场耦合, 以解决目前本构模型尚无法定量分析的能源、交通、环境和水利相关的重大岩土工程问题. 超重力物理模拟具有缩尺效应和缩时效应, 克服了常重力物理模拟中模型的应力水平低于原型的缺点, 特别适用于大尺度、长历时问题的模拟. 相较数值模拟, 超重力物理模拟的优势在于能够检验本构模型的合理性, 揭示本构模型无法描述的未知特性. 最后, 介绍了采用数值模拟和物理模拟联合分析大直径钢管桩水平受荷特性的工程案例.     

含主应力轴旋转的土体本构关系研究进展

主应力轴旋转对岩土工程的影响日益受到人们的重视．本文从纯主应力轴旋转、纯应力洛德角变化、多种因素变化、排水与不排水等方面较全面地描述了含主应力轴旋转情况下土体的基本变形特性．对当前较有影响的含主应力轴旋转的土体本构模型（基于一般应力空间的土体本构模型、运动硬化模型、边界面模型、土体弹塑性应力应变关系的完全应力增量表述等等）进行了较为系统的评述．提出了合主应力轴旋转的实验研究中存在的核心问题与建立合主应力轴旋转的土体本构关系的根本途径．      

粘弹塑性统一本构模型的参数评估

针对粘弹塑性统一本构模型参效众多的特点和传统评估参效方法的缺点，应用非线性最小二秉法与敏感系数分析方法相结合，提出了一个比较系统的对粘弹塑性统一本构模型的参数进行评估的方法。对铜合金在室温下不同加载速率的试验曲线进行参数适配，表明本方法的合理性与正确性。为粘弹塑性统一本构模型的工程应用奠定了基础。     

基于扰动状态概念的结构性粘土本构模型研究

考虑结构性粘土的本构模型研究中存在的问题．引入了Desai C S的扰动状态概念,并对关键参数——扰动函数进行了扩展,增加了土体体积应变的影响,建立了结构性粘土的弹塑性扰动状态本构模型．最后通过三轴不排水剪切试验对模型进行了检验,结果表明该模型反映了上体的变形特征,说明在类似条件下能较好的满足工程实际的要求．     

一种黏弹塑性统一本构模型

经过对大量有关统一本构模型的文献资料分析，指出了现有统一本构模型存在的问题，并通过对材料实验数据的分析，指出了黏弹性现象在实验中的表现，并据此将黏弹性引入到弹性黏塑性统一本构模型之中，建立了黏弹塑性统一本构模型，通过模型的数值模拟证明：模型计算结果无论在变形趋势上，还是在数值精度上都与实验数据符合得很好，克服了此前统一本构模型存在的问题。黏弹塑性统一本构模型的产生将统一本构模型的产生将统一本构理论的内涵扩大到黏弹性范围，进而构造了一个黏弹塑性理论的新框架。     

海冰动力学中本构模型研究的若干进展

从20世纪70年代, 人们在不同尺度下建立了一系列的海冰动力学本构模型用于海冰数值模拟和预测. 将目前应用的海冰动力学本构模型分为弹塑性、黏塑性、各向异性和颗粒流体动力学中的黏弹塑性模型4类,并分别讨论了各类模型的特点和适用范围. 尤其对在极区及副极区大、中尺度下广泛应用的黏塑性及其改进的本构模型进行了深入地分析. 最后得出: 在大、中尺度下建立海冰动力学的黏弹塑性本构模型是提高海冰动力学计算精度的有效途径; 将小尺度下采用黏弹塑性本构模型的海冰颗粒流体动力学的计算时效进一步改进后, 可在大、中尺度下对海冰的重叠、堆积特性进行模拟; 进一步开展海冰动力学的尺度效应研究, 进行海冰本构模型的实验验证, 并建立不同尺度模型间的相互联系也应是海冰动力学本构模型研究的重要内容.      

基于统一强度理论的岩石弹塑性本构模型及其数值实现

基于弹塑性力学理论,以统一强度准则为屈服准则,建立了考虑硬化/软化行为和应变率效应的岩石弹塑性本构模型;采用Fortran语言通过LS-DYNA的用户自定义材料接口(Umat)对该弹塑性本构模型进行编程,并把该程序生成求解器以达到对该模型进行应用的目的;通过岩石的单轴压缩实验和SHPB实验对所建的弹塑性本构模型进行验证,结果表明,该弹塑性本构模型能够反映岩石在准静态和动态下的力学行为。     

土中爆炸波与地下结构相互作用计算方法研究综述

土中爆炸波与结构相互作用是地下工程结构抗爆计算的理论基础,理论研究中通常在宏观试验基础上,引入合理的介质动力本构模型分析波动问题。针对工程防护中的计算模型和解析方法,综述了岩土介质中爆炸波与结构相互作用的现状和研究进展,内容包括土的动力本构模型,自由场中爆炸波的传播、爆炸波与箱型、圆柱形和直墙圆拱型等地下结构的相互作用等。重点阐述了常用的非饱和土和饱和土的动力本构模型、考虑松弛效应的土的综合弹塑性模型,一维平面波在不均匀介质和分层介质中的传播及地下结构爆炸荷载计算方面的研究成果,分析了各种模型和计算方法的适用范围和存在问题。     

基于SiPESC平台的弹塑性分析的软件框架

基于开放式结构有限元分析软件系统SiPESC.FEMS,针对弹塑性非线性有限元分析理论与流程,采用工厂模式和构造器模式等经典软件设计模式,提出了一种基于面向对象设计方法的通用小变形率无关弹塑性分析软件框架。该框架利用算法与数据模型分离的思想,通过抽象出数据模型类、算法类和算法参数类,支持各功能模块的动态替换和组装,具备开放性和可扩展性。同时,基于SiPESC平台工程数据库的数据管理能力,实现了弹塑性分析中产生的大量历史数据以统一的接口与管理方式进行存取,为大规模问题的求解提供了高效、稳定的支撑。通过多类型实体单元、多类本构模型和多种规模的计算实例,验证了该计算框架在弹塑性有限元程序开发中的通用性、有效性和灵活性。     

Stress-resultant plasticity theories for composite laminated plates

Constitutive laws are presented for the inelastic analysis of laminated composite plates. The implications of using an elastoplastic theory, applied in a stress-resultant formulation, are discussed and investigated. Two different stress-resultant plasticity theories are proposed, both of which overlook the matrix and fiber inelastic behavior and describe the inelastic response of the laminate as a function of overall laminate properties. Results from numerical experiments with the proposed models are compared with results obtained using a micromechanical elastoplastic composite constitutive model.     

数据驱动梯度结构材料弹塑性本构

梯度结构材料因其优异的力学性能被广泛应用于工程结构中.论文整合塑性理论和人工神经网络技术,发展了一种构建梯度结构材料弹塑性本构模型的新方法.该方法基于梯度结构材料不同位置的微结构,构建不同代表性体积单元,进而生成应力应变数据,应用生成的数据训练人工神经网络,建立基于神经网络的材料本构模型.应用该方法,论文开展了针对实际...     

考虑微缺陷形状的细片层状珠光体钢的损伤本构模型

基于非经典塑性理论和连续介质损伤力学,利用在一个特殊坐标系下基于椭球形孔洞模型得到的可考虑孔洞形状变化混合强化材料的损伤演化率得到了铁素体相的损伤本构方程,通过混合物理论利用铁素体和渗碳体相各自本构关系并考虑其几何特征得到了珠光体团的损伤本构模型。进而采用Hill自洽方法,得到了珠光体材料的宏观损伤本构描述,发展了相应的数值方法与程序。讨论了孔洞形状对材料损伤的影响,并对典型珠光体双相材料BS11在非对称循环加载史下的弹塑性响应特性进行了分析,得到了与实验较为一致的结果。     

Unified elastoplastic finite difference and its application

Two elastoplastic constitutive models based on the unified strength theory (UST) are established and implemented in an explicit finite difference code, fast Lagrangian analysis of continua (FLAC/FLAC3D), which includes an associated/non-associated flow rule, strain-hardening/softening, and solutions of singularities. Those two constitutive models are appropriate for metallic and strength-different (SD) materials, respectively. Two verification examples are used to compare the computation results and test data using the two-dimensional finite difference code FLAC and the finite element code ANSYS, and the two constitutive models proposed in this paper are verified. Two application examples, the large deformation of a prismatic bar and the strain-softening behavior of soft rock under a complex stress state, are analyzed using the three-dimensional code FLAC3D. The two new elastoplastic constitutive models proposed in this paper can be used in bearing capacity evaluation or stability analysis of structures built of metallic or SD materials. The effect of the intermediate principal stress on metallic or SD material structures under complex stress states, including large deformation, three-dimensional and non-association problems, can be analyzed easily using the two constitutive models proposed in this paper.     

Formulation of thermo-hydro-mechanical coupling behavior of unsaturated soils based on hybrid mixture theory

Thermo-Hydro-Mechanical （THM） coupling pro- cesses in unsaturated soils are very important in both theoretical researches and engineering applications. A coupled formulation based on hybrid mixture theory is derived to model the THM coupling behavior of unsaturated soils. The free-energy and dissipative functions for different phases are derived from Taylor＇s series expansions. Constitutive relations for THM coupled behaviors of unsaturated soils, which include deformation, entropy change, fluid flow, heat conduction, and dynamic compatibility conditions on the interfaces, are then established. The number of field equations is shown to be equal to the number of unknown variables; thus, a closure of this coupling problem is established. In addition to modifications of the physical conservation equations with coupling effect terms, the constitutive equations, which consider the coupling between elastoplastic deformation of the soil skeleton, fluid flow, and heat transfer, are also derived.     

微磁检测应力和塑性区的磁弹塑耦合理论

金属磁记忆微磁检测方法, 利用铁磁材料局部磁性状态的变化, 进行应力集中或塑性区域位置及程度的检测与评价. 面向微磁信号的定量理论分析可对其工程领域应用提供重要指导. 本文介绍铁磁材料微弱环境磁场下的磁弹塑性本构进展, 及其在微磁信号分析方面的应用. 力磁本构关系方面, 针对微磁检测弱磁化条件, 基于有效场理论构建了受弹塑性载荷铁磁材料的理想磁化本构的显式解析式, 并结合接近原理分析了恒定外加微弱磁场下应力-应变对材料磁化强度的影响. 检测信号分析方面, 基于弹性力学理论、静磁学理论和新建立的磁弹塑性本构关系, 建立并求解了微弱磁场下铁磁试件中弹性应力或塑性区诱导的表面磁信号的二维分析模型. 结合实验结果证实其在刻画弹塑性因素对微磁信号影响规律方面的能力, 并详细分析了微磁信号的特征量与局部弹性应力或塑性区的尺寸间的相关关系. 相比已有力磁本构关系, 本文建立的显式解析形式的理想磁化更加简洁, 有助于提升对力磁耦合效应的定量化理解和应用.