聚氯乙烯膜材各向异性超弹性本构模型

为反映聚氯乙烯（PVC）膜材在拉剪耦合应力作用下呈现的大变形、非线性和各向异性等力学特性，基于纤维增强复合材料连续介质力学理论，将应变能解耦为经、纬向纤维束的拉伸变形能和两向纤维束间角度变化产生的剪切变形能，建立了各向异性超弹性本构模型。推导了适用于PVC膜材偏轴拉伸的本构模型表达式，给出了获取模型参数的具体方法，并通过堆载试验进行了验证分析。结果表明：该模型能够很好地预测PVC膜材偏轴拉伸应力-应变曲线，且较CECS 158:2015中建议模型的计算精度更高。     

建筑膜材的力学性能试验研究

目前国内外应用的建筑膜材主要包括涂层织物类膜材和热塑化合物类膜材两大类.常用的涂层织物类膜材有PTFE膜材和PVC膜材.以涂层织物类膜材为主要研究对象,通过单轴拉伸试验和反复拉伸试验,重点研究分析了建筑膜材非线性、非弹性、各向异性以及粘弹性等四大基本力学特性.试验结果证实,膜材料是一种具有很显著的非线性、非弹性、各向异性和粘弹性的建筑材料,因此工程设计时需要充分考虑这些特性.     

一种描述木材受压的非线性本构模型及试验验证

在一种用于纤维复合材料的简易本构模型的基础之上,通过考虑木材在纤维方向产生的塑性应变并假设木材是横观各向同性材料,提出了一种包含双参数的弹塑性本构模型。该本构模型采用一种二次多项式形式的屈服函数,假设材料的塑性应变从加载开始即逐渐产生,并定义了有效应力和有效塑性应变来反映材料所固有的非线性性质。为了确定本构模型中的待定参数,同时验证该本构模型针对木材的适用性,进行了不同纤维角度红松材的静力受压试验。通过对比模型的预测结果与受压试验结果发现,该双参数本构模型能够较为准确地反映木材受压的非线性应力-应变关系,可以用来预测木材在斜纹理方向受压时的力学行为。     

岩石三维弹塑性损伤本构模型研究

基于应变等效假设和真实应力概念的弹塑性损伤理论,在真实应力空间内,结合非线性统一强度模型,以广义塑性剪应变为硬化参数,并同时考虑应力水平对硬化速率的影响,建立了无损状态下岩石材料的弹塑性表达式;在名义应力空间内建立考虑围压对损伤速率影响的损伤演化方程,从而建立了岩石材料的三维弹塑性损伤本构模型。本构模型中各物理参数意义明确,与材料试验结果的对比表明,所建立的三维弹塑性损伤本构模型可较好地描述岩石材料在多轴受力情况下的变形与强度特性,为岩体工程的复杂非线性受力分析提供理论依据。     

张拉成形曲面的应力松弛分析

对膜结构施工中由裁剪片拼接张拉形成的膜面进行应力松弛分析,考察膜面应力随时间逐渐减小的变化规律。考虑膜材材料和几何双重非线性,采用广义Maxwell黏弹性模型建立积分型本构方程,推导增量本构方程,编制非线性有限元程序实现成形曲面的应力松弛数值分析过程。对聚氯乙烯 (PVC)膜材进行了不同初始应力水平下的单轴应力松弛试验和不同应力比下的双轴应力松弛试验,用5单元的广义Maxwell黏弹性模型对试验数据拟合,确定了膜材本构方程的黏弹性参数。进行十字形膜片的加载及应力松弛试验,对其试验过程进行数值分析,结果表明试验结果与数值分析结果基本一致,验证了成形曲面黏弹性数值分析方法的可行性。对PVC膜材马鞍形曲面算例进行黏弹性分析,结果表明,马鞍形曲面在张拉完成4 d后,膜面平均应力降低了44%。     

考虑岩土材料各向异性与应力方向性的等效非线性模型

为了刻画岩土材料的各向异性与应力方向性力学行为,从颗粒材料的内应力出发,定义一个新的应力张量——等效应力张量,使之可以综合描述应力的大小、组构的大小以及应力–组构的方向关系。以各向同性本构模型来刻画颗粒接触面的力学性质,以等效应力来描述颗粒间接触应力,提出已有各向同性本构模型进行"各向异性化"改造的"等效应力法",进而建立可以考虑岩土材料各向异性与应力方向性的等效非线性模型,模型仅包含3个参数,且均可以通过严格的理论计算和简单的室内试验加以确定。与砂土定向剪切试验对比表明,等效非线性模型很好地预测了试样的剪切变形与峰值强度的各向异性和应力方向性,为研究岩土材料各向异性和应力方向性提供了新的思路。     

饱和砂土相变状态边界面本构模型

为了很好地描述砂土的应力应变特征,通常利用以临界状态孔隙比为基础的状态参数建立弹塑性本构关系,但是对于密砂排水试验,临界状态参数很难测到。相变状态作为一特征状态,相关参数较容易测得。基于相变状态定义状态参量,并考虑应力诱发的各向异性,建立饱和砂土的边界面本构模型。最后,利用提出的模型参数得到的模拟结果与试验结果相吻合,较好地反映了密砂的应变强化和软化力学特征。     

建筑涂层织物膜材剪切模量的双轴剪切测试方法

为确定更符合工程需求的建筑涂层织物膜材剪切弹性模量,基于双轴拉伸试验,采用45°偏轴十字型试件,定义名义剪切应力和工程剪切应变,提出了单调剪切加载下,基于剪切线性应变能误差的等效剪切屈服应力确定方法.在此基础上,提出了材料剪切模量低周循环双轴剪切测试方法,采用了等幅周期加载制度,以等效剪切屈服应力作为循环荷载的幅值,对剪应力正负加载上升段曲线线性拟合得到剪切模量.对玻璃纤维织物PTFE涂层膜材试件进行了试验,所得的剪切应力应变滞回曲线规则,线性度高,相比既有方法更符合工程实际.该方法可应用于G类膜材或其他织物增强类膜材.     

建筑膜材力学性能试验研究综述

膜材是充气膜结构的主要材料,起到密封以及承载的作用,强度指标和弹性常数是其最为重要的力学性能特征量,目前国内尚未制定专门针对建筑膜材力学性能的试验测试标准。从常用的建筑膜材出发,综述了目前国内外针对PVC、PTFE以及ETFE膜材力学性能的测试方法,目前国内外多用单轴拉伸试验和双轴拉伸试验进行测定,但单轴试验应用更广泛,在实验室实现理想的双轴应力破坏目前很难实现。其中PVC和PTFE都属于涂层类织物膜材,国内外学者经常同时进行试验研究对比分析其力学性能。本文在深入分析前人研究的基础之上,对建筑膜材力学性能试验研究现状进行了梳理和归纳,针对仍存在待解决的有关建筑膜材面外力学性能、撕裂强度、本构方程等方面的问题进行了思考和展望。     

聚四氟乙烯膜材黏弹性本构关系

为研究聚四氟乙烯(PTFE)膜材的黏弹性本构关系,进行了蠕变试验和应力松弛试验,考虑了初始拉伸速率、初始应力对于PTFE膜材黏弹性性能的影响,并采用常用的黏弹性本构关系模型对试验数据进行了拟合,分析了应力松弛和蠕变之间的相互转化关系。研究表明:PTFE膜材具有明显的黏弹性性能,在设计中应予以考虑;初始应力对膜材料的黏弹性性能影响明显,初始应力越大,黏弹性越明显,而初始拉伸速率的影响相对较小;五元件广义Kelvin模型、Burgers模型、分指数模型能够较好地预测膜材料的蠕变黏弹性性能,而基于金属材料的蠕变-应力松弛转化关系不能直接用于分析PTFE膜材的黏弹性转化关系。     

Viscoelastic constitutive relations of polytetrafluoroethylenecoated fabrics

为研究聚四氟乙烯（PTFE）膜材的黏弹性本构关系，进行了蠕变试验和应力松弛试验，考虑了初始拉伸速率、初始应力对于PTFE膜材黏弹性性能的影响，并采用常用的黏弹性本构关系模型对试验数据进行了拟合，分析了应力松弛和蠕变之间的相互转化关系。研究表明：PTFE膜材具有明显的黏弹性性能，在设计中应予以考虑；初始应力对膜材料的黏弹性性能影响明显，初始应力越大，黏弹性越明显，而初始拉伸速率的影响相对较小；五元件广义Kelvin模型、Burgers模型、分指数模型能够较好地预测膜材料的蠕变黏弹性性能，而基于金属材料的蠕变-应力松弛转化关系不能直接用于分析PTFE膜材的黏弹性转化关系。     

各向异性砂土的应变局部化分析

针对许多各向异性砂土强度和应变局部化特性,采用各向异性模型进行砂土的应变局部化分析。模型基于材料状态相关临界状态理论,采用宏细观结合的方法,将一个新的各向异性状态变量引入本构模型来描述砂土的各向异性,考虑细观组构张量和应力张量的几何关系模型即可以描述不同沉积角度三轴条件下砂土的力学特性。模型结合分叉理论可以自然解释各向异性和应变局部化对平面应变强度的影响,采用用一组模型参数可以很好模拟不同围压,不同沉积角度平面应变条件下Toyoura砂的强度特性和剪切带角度。     

各向异性砂土宏微观特性三维离散元分析

各向异性对砂土强度和变形特性有显著的影响,为了研究各向异性砂土的宏微观特性,基于三维离散元法,对7个不同沉积角的试样进行了一系列的三轴模拟试验。利用"Clump"命令生成近似椭球形状颗粒,并且采用三维抗转动模型来模拟颗粒间的抗转动能力。离散元模拟结果与已知室内试验结果吻合很好。结果表明:随着沉积角的增大,偏应力和轴向应变的关系逐渐由应变软化向应变硬化发展。沉积角较小的试样剪胀性更强并且容易到达临界状态,颗粒组构–应力联合不变量(表征颗粒长轴组构张量和应力张量的相对角度)的值接近于-1,且颗粒长轴组构各向异性先增大后减小;然而对于沉积角较大的试样,在轴向应变50%处,仍不能达到临界状态,并且联合不变量的值大于-1,颗粒长轴组构各向异性先减小后不断增大。对于法向接触组构,组构主轴方向迅速向应力主轴方向偏转,组构各向异性的演化规律与偏应力随轴向应变的演化规律相似。     

桩网复合地基的模型试验加固效果对比研究

为了探究不同形式的桩网复合地基加固软土的效果,设计了3组复合地基进行室内模型试验.第1组为PVC管材加固软土地基,第2组为桩承式复合地基,第3组为PVC管材与砂桩复合地基.在模型箱钢板内侧壁涂上黄油,并覆以塑料薄膜来减小边界效应；在PVC管材和土工编织网(格栅)上粘贴应变片,来测试PVC桩体应力及加筋拉力；在桩间土、砂...     

超固结土本构模型分叉三维理论分析及数值模拟

应变局部化分叉的产生强烈依赖于本构模型的弹塑性矩阵。以基于伏斯列夫面超固结黏土三维本构模型为研究对象,推导了三维应力下产生分叉的应力条件,求出了该模型在常平均应力时不同应力路径下分叉三维解析结果。解析结果表明：该模型在应力洛德角为-26.5°～7.5°时,有分叉现象产生,分叉产生于土体应力应变的硬化阶段,且分叉后剪切带倾角变化趋于稳定;而应力洛德角在-30°～-26.5°及7.5°～30°时无分叉现象出现。最后,利用有限元软件ABAQUS的材料子程序接口,采用回映应力更新算法,编写了材料特性子程序,实现了该模型在有限元数值分析中的应用,对均匀各向同性多单元立方体进行常平均应力时真三轴试验数值模拟,并比较数值计算结果与解析结果,验证了解析解与数值模拟结果的一致性。     

K0固结软黏土的弹黏塑性本构模型

在修正剑桥模型基础上综合考虑了软黏土的各向异性及率相关性,建立了适用于K0固结软黏土的弹黏塑性本构模型。模型借鉴过应力理论的基本思想,定义了与动态加载面相对应的参考屈服面,应用径向映射准则将两者联系起来,流动函数通过分析一维情况下土体的体积蠕变速率得到。以黏塑性体积应变为硬化参数,将一维情况扩展到三维应力状态,直接用次固结系数描述土体黏性强弱,所有参数可通过压缩试验及三轴不排水剪切试验得到。分别计算了代表性等向和K0固结黏土的三轴不排水等应变率加载、不排水剪切蠕变及蠕变破坏过程,与试验结果进行对比,验证本文模型的有效可行性。     

K0固结软土的循环剪切特性及其流变模拟

对原状温州黏土进行了三轴不排水循环剪切试验,系统分析了黏土在循环剪切过程中应变和孔压的累积特性以及加载频率的影响。考虑到天然黏土不等向固结历史的影响,试验土样在循环剪切前均先K0固结至原位应力状态。研究表明,对于K0固结软黏土,以剪应变累积曲线出现拐点作为循环破坏标准较为合适,此拐点对应的单幅破坏峰值剪应变es,tp大小基本恒定为3%,与加载频率、循环偏应力幅值等因素无关;循环荷载幅值一定时,荷载持续时间t对黏土的循环剪切性状起控制作用,可综合反映加载频率和振次的影响。根据黏性不排水循环累积效应与静力蠕变过程的相似性,按静力蠕变等效的思路,采用建立的各向异性弹黏塑性本构模型对其进行模拟分析,并通过试验验证了此流变等效方法的有效性。