基于能量等效原理的应变局部化分析:Ⅰ.一维解析解

基于热力学第一定律和非局部塑性理论,提出了一种求解应变局部化问题的非局部方法.对材料的每一点定义了局部和非局部两种状态空间,局部状态空间的内变量通过非局部权函数映射到非局部空间,成为非局部内变量.在应变软化过程中,局部状态空间中的塑性变形服从正交流动法则,材料的软化律在非局部状态空间中被引入.通过两个状态空间的塑性应变能耗散率的等效,得到了应变软化过程中明确定义的局部化区域以及其中的塑性应变分布.应用本方法导出了一维应变局部化问题的解析解.解析解表明,应变局部化区域的尺寸只与材料内尺度有关;对于高斯型非局部权函数,局部化区域的尺寸大约是材料内尺度的6倍.一维算例表明,局部化区域的塑性应变分布以及载荷-位移曲线仅与材料参数和结构几何尺寸有关,变形局部化区域的尺寸随着材料内尺度的减小而减小,同时塑性应变也随着材料内尺度的减小变得更加集中.当内尺度趋近于零时,应用本文方法得到的解与采用传统的局部塑性理论得到的解相同.     

基于能量等效原理的应变局部化分析:Ⅱ.有限元解法

以非局部塑性理论为基础,应用状态空间理论,通过局部和非局部两个状态空间的塑性能量耗散率等效原理,提出了一种求解应变局部化问题的新方法,以得到与网格无关的数值解.针对二维问题的屈服函数和流动法则导出了求解非局部内变量的一般方程,并提出了在有限元环境中求解应变局部化问题的应力更新算法.为了验证所提出的方法,对1个一维拉杆和3个二维平面应变加载试件进行了有限元分析.数值结果表明,塑性应变的分布和载荷-位移曲线都随着网格的变小而稳定地收敛,应变局部化区域的尺寸只与材料内尺度有关,而对有限元网格的大小不敏感.对于一维问题,当有限元网格尺寸减小时,数值解收敛于解析解.对于二维剪切带局部化问题,数值解随着网格尺寸的减小而稳定地向唯一解收敛.当网格尺寸减小时,剪切带的宽度和方向基本上没有变化.而且得到的塑性应变分布和网格变形是平滑的.这说明,所提方法可以克服经典连续介质力学模型导致的网格相关性问题,从而获得具有物理意义的客观解.此模型只需要单元之间的位移插值函数具有C~0连续性,因而容易在现有的有限元程序中实现而无需对程序作大的修改.     

基于非局部塑性模型的应变局部化理论分析及数值模拟

通过求解一个第二类Fredholm方程,得到了基于非局部塑性软化模型的应变局部化问题理论解,结果表明,只有在当采用过非局部修正形式的非局部塑性软化模型才能得到应变局部化解,且得到的塑性应变分布和荷载响应依赖于所引入的特征长度及过非局部权参数。通过一维应变局部化有限元数值解,验证了非局部理论的引入能克服计算结果的网格敏感...     

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。     

岩石单轴压缩作用下变形局部化的梯度塑性解

采用梯度塑性理论研究单轴压缩作用下岩石变形局部化,得到了单轴压缩作用下岩石变形局部化带宽度的一维、二维解析解,为实验测定内部材料长度参数提供了理论依据.     

材料的率相关与梯度二、四阶耦合模型的内尺度律与稳定性研究

在率相关与梯度塑性二阶耦合本构模型的基础上,提出了二、四阶率相关与梯度塑性耦合模型。采用简谐波的分析方法对材料的应变局部化及材料的稳定性进行了研究,得到了二、四阶耦合模型在一维情况下的内尺度律的变化及材料稳定性的关系,得到了波长变化的上下界及材料稳定性的条件;并对其进行了对比性研究,得到材料稳定点移动的规律。     

软化材料厚壁筒的解析解及其稳定性分析

将弹塑性材料的应力应变全过程曲线简化为三线性模型(弹性-线性软化-残余理想塑性),并假设材料服从Tresca屈服准则和关联流动法则,推导出受内压厚壁筒的解析解.在这个解析解的基础上,讨论了厚壁筒的平衡稳定性问题,内压达到临界载荷时,厚壁筒丧失稳定性,其临界载荷就是软化塑性材料厚壁筒的承载能力.     

he analytical solutions of thick-walled cylinder of softening material and its stability

将弹塑性材料的应力应变全过程曲线简化为三线性模型(弹性-线性软化-残余理想塑性), 并 假设材料服从Tresca屈服准则和关联流动法则,推导出受内压厚壁筒的解析解. 在这个解析解 的基础上,讨论了厚壁筒的平衡稳定性问题,内压达到临界载荷时,厚壁筒丧失稳定性,其 临界载荷就是软化塑性材料厚壁筒的承载能力.     

冲击载荷下钨合金圆台试件绝热剪切变形局部化的数值模拟

采用有限元计算编码ABAQUS模拟了钨合金圆台试件在冲击载荷下的变形和剪切局部化行为.计算采用二维轴对称应变条件下的绝热模型.钨合金的本构方程采用热粘塑性形式的Johnson-Cook模型.为了得到不同尺度的变形信息,计算中用了两种网格;先用粗糙网格分析试件变形局部化的概貌;接着,用细密网格(在变形局部化区域,网格尺寸达到10μm)分析绝热剪切带的形成和发展.有限元模拟得到的绝热剪切带位置和方向与实验一致.计算结果表明,绝热剪切带的形成和发展与试件的应力状态密切相关.     

一种非局部弹塑性连续体模型与裂纹尖端附近的应力分布

本文提出一种非局部弹塑性连续体模型。在这个模型中,应力与弹性应变之间为非局部线性关系,而塑性应变与总应变历史相联系。对于形变理论,假定塑性应变张量与总应变偏量张量成比例,其比例因子是总有效应变的标量函数。将这一模型用于分析幂硬化弹塑性材料拉伸型裂纹尖端附近的应力场,利用经典断裂力学中所得的拉伸型裂纹尖端HRR奇性解的结果,在一维简化计算下导出了裂纹正前方的拉应力分布和最大拉应力的表达式,证明临界J积分准则可由非局部最大拉应力准则得到。用已有的实验数据计算了几种钢材在裂纹起始扩展时裂纹尖端附近的最大拉应力,发现其量级与晶格内聚强度相近。所得结果对于理解材料断裂过程的物理机理是有益的。     

非局部应变梯度理论下纳米梁的力学特性研究

基于非局部应变梯度理论,建立了一种具有尺度效应的高阶剪切变形纳米梁的力学模型.其中,考虑了应变场和一阶应变梯度场下的非局部效应.采用哈密顿原理推导了纳米梁的控制方程和边界条件,并给出了简支边界条件下静弯曲、自由振动和线性屈曲问题的纳维级数解.数值结果表明,非局部效应对梁的刚度产生软化作用,应变梯度效应对纳米梁的刚度产生硬化作用,梁的刚度整体呈现软化还是硬化效应依赖于非局部参数与材料特征尺度的比值.梁的厚度与材料特征尺度越接近,非局部应变梯度理论与经典弹性理论所预测结果之间的差异越显著.     

INVESTIGATIONS ON THE MECHANICAL CHARACTERISTICS OF NANOBEAMS BASED ON THE NONLOCAL STRAIN GRADIENT THEORY1)

基于非局部应变梯度理论,建立了一种具有尺度效应的高阶剪切变形纳米梁的力学模型. 其中,考虑了应变场和一阶应变梯度场下的非局部效应. 采用哈密顿原理推导了纳米梁的控制方程和边界条件,并给出了简支边界条件下静弯曲、自由振动和线性屈曲问题的纳维级数解. 数值结果表明,非局部效应对梁的刚度产生软化作用,应变梯度效应对纳米梁的刚度产生硬化作用,梁的刚度整体呈现软化还是硬化效应依赖于非局部参数与材料特征尺度的比值. 梁的厚度与材料特征尺度越接近,非局部应变梯度理论与经典弹性理论所预测结果之间的差异越显著.     

双材料基本解弹塑性边界元法

提出并研究采用双材料基本解的弹塑性边界元法,得到了内点应力公式中有关奇点塑性应变自由项的完整表达式,并利用非连续边界单元和非连续区域单元解决了当奇点位于界面上时该自由项难于确定,以及计算区域Cauchy主值积分的常塑性应变场法在与界面相连的奇异区域单元上无法实施的困难．采用双材料基本解的弹塑性边界无法针对双材料的结构特点,特别适于分析有关弹塑性双材料界面及界面裂纹问题．     

MY准则解析复合型裂尖塑性区

首次以MY(平均屈服)准则对I-II复合型裂纹在小范围屈服下的裂尖塑性区进行了分析,分别获得了平面应力和平面应变状态下塑性区尺寸的解析解。这两解表明,塑性区尺寸是材料屈服强度、应力强度因子、极角θ的函数。与Tresca准则、TSS屈服准则获得的解以及Mises解比较表明:Tresca准则预测塑性区上限,TSS屈服准则预测塑性区下限,MY准则预测的塑性区居于Tresca与TSS塑性区之间,逼近Mises解。另外,文中讨论了平面应力和平面应变状态下裂纹尖端的开裂问题,结果表明:当裂纹角β=π4时,平面应力状态下裂纹沿0-θ=0.2952π方向开裂;平面应变状态下裂纹沿0-θ=0.3188π方向开裂。     

饱和多孔介质分析解的唯一性与应变局部化分岔

基于不连续性分岔基本理论导出了静态非渗流状态下弹塑性饱和多孔介质应变局部化发生时的临界硬/软化模量,利用二阶功正定性原理研究了两相问题分析解的唯一性问题,并给出了基于主轴空间下解的显式表达式。研究工作表明,在静态非渗流状态下,弹塑性饱和多孔介质分析的唯一性与应变局部化发生的临界条件除了在量值上与单相介质有着明显的不同外两者之间还有许多一致的特性,这些一致的特性对问题的分析是十分重要的。     

使用主值空间表示的各向同性塑性本构方程

针对各向同性材料,在内变量为标量的假定下,应用张量函数表示定理给出了其塑性应变增量的不变性表示.它的3个不可约基张量取决于应力张量、相互正交且共主轴.建立3个基张量构成的张量子空间与三维主值空间的对应关系,将共主轴的张量采用笛卡尔坐标系中的矢量描述,矢量在不同坐标系下的分量均为张量的一组不可约不变量.定义塑性应变增量对应的矢量为内变量增量,使用张量函数表示理论得到,内变量演化方程除取决于应力对应的矢量和内变量本身外,还取决于应力增量在张量子空间中的投影,该投影就是应力对应矢量的增量,因此,本构方程归结为确定主值空间中矢量之间的关系.最后表明,三维主值空间与张量子空间中的流动法则是等价的.     

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.     

SOLUTION AND ANALYSIS OF CIRCULAR TUNNEL FOR THE STRAIN-SOFTENING ROCK MASSES CONSIDERING THE AXIAL IN SITU STRESS AND SEEPAGE FORCE

为了研究轴向应力和渗透力共同作用下软化围岩的应力与位移的变化及分布规律. 基于摩尔-库伦屈服准则及应力-应变软化模型并考虑轴向应力和渗透力的共同作用,将整个塑性区分为有限个同心圆环,以弹塑性交界面处的应力、应变为初始值,并采用微小径向应力增量逐步求出各个圆环上的应力应变及塑性区半径,据此重构了考虑渗透力和轴向力共同作用下软化围岩应力应变特性的逐步求解方法. 利用该方法,推导出软化围岩应力应变的解. 计算结果表明：在考虑轴向应力作用下,塑性区半径和隧道围岩位移都随着渗透力的增加而有所减小;当轴向应力为最小主应力时,渗透力的影响更为显著. 这说明渗透力的存在对于隧道围岩的应力应变分布以及塑性半径和围岩的位移有不可忽略的影响.     

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.      

断裂力学及边界元法在有限体应变局部化问题中的应用

微裂纹模型是研究砂土变形中应变局部化问题的微观力学模型。本文在前文的基础上建立了有限平面的徽裂纹模型的基本方程。数值解析表明,微裂纹模型可再现应变局部化及应变软化现象。同时,本文简要地讨论了边界约束、尺寸效应及侧压对应变局部化的影响。