各向异性Cosserat连续体弹塑性本构模型及其数值应用
发布时间：2021-02-22 12:47
自然界中的岩土材料普遍存在各向异性与应变软化的力学特性,二者均会对岩土工程重点关注的承载力、稳定性和变形等问题产生重要影响。然而目前在有限元数值模拟中,仍然没有能够合理且有效地耦合这两种特性的分析方法。针对此问题,本文做了如下工作:1.将Pietruszczak与Mroz提出的微结构张量联合应力不变量的强度各向异性理论方法发展到对粘性土粘聚力的分析中,推导出了与经典的Casagrande粘聚力各向异性理论相一致的表示形式,并在理论和数值两个层面上证明了本文所发展的各向异性理论方法更加合理。2.在Cosserat连续体理论框架下,将粘聚力的各向异性与应变软化特性同时考虑到经典的Drucker-Prager屈服准则中,推导了切线本构模量阵一致性算法,并借助于有限元软件ABAQUS的二次开发功能（UEL）通过编程进行了数值实现;通过对粘土的三轴试验和平面应变试验验证了本文所开发的数值模型的正确性,同时也为该本构模型新引入的各向异性参数的试验获取提供了借鉴;进一步地对土质边坡稳定性问题、挡土墙被动土压力问题和地基承载力问题进行了模拟和分析,得到了较好的预测效果,并证明了本文所发展模型在模拟由应...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：107 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 岩土体各向异性问题的研究进展
1.3 岩土体应变局部化问题的研究进展
1.3.1 试验研究
1.3.2 理论与数值研究
1.4 耦合各向异性与应变软化的有限元数值方法研究现状
1.5 本文的主要研究内容及技术路线
1.5.1 本文主要研究内容
1.5.2 研究技术路线
2 各向异性Cosserat连续体弹塑性本构模型理论推导及数值模拟
2.1 理论背景
2.1.1 Cosserat连续体理论
2.1.2 微结构张量联合应力不变量强度各向异性理论方法
2.2 Cosserat连续体下强度各向异性D-P本构理论推导及数值实现方法
2.2.1 耦合强度各向异性与应变软化的Drucker-Prager屈服准则
2.2.2 率本构方程积分的返回映射算法
2.2.3 一致性弹塑性切线模量矩阵
2.2.4 有限元数值实现方法
2.3 程序开发有效性的试验验证
2.4 算例分析-平面应变条件下的压缩模型
2.4.1 应变软化程度对承载力的影响
2.4.2 强度各向异性对承载力的影响
2.4.3 考虑强度各向异性下固结方向对承载力的影响
2.4.4 Cosserat连续体模型与经典连续体模型的对比分析
2.5 本章小结
3 耦合强度各向异性与应变软化的土坡稳定有限元分析
3.0 引言
3.1 边坡稳定分析中的强度各向异性方法对比
3.2 适用于边坡稳定分析的强度各向异性Drucker-Prager屈服准则
3.3 有限元边坡稳定分析方法
3.3.1 容重增加方法实现简述
3.3.2 容重增加方法可靠性验证
3.4 应变软化与强度各向异性对土坡稳定性的影响
3.4.1 各向异性程度对土坡稳定性的影响
3.4.2 应变软化程度对土坡稳定性的影响
3.4.3 强度各向异性与应变软化耦合效果分析
3.5 Cosserat连续体模型与经典模型在土坡稳定分析中的对比
3.6 本章小结
4 各向异性Cosserat连续体模型在层状岩体中的应用
4.1 引言
4.2 Cosserat连续体理论下的弹性各向异性本构模型
4.3 模拟岩样的单轴压缩试验
4.3.1 引入弹性各向异性后的有效性验证
4.3.2 模拟层理岩样的单轴压缩试验
4.4 顺倾层状岩质边坡稳定分析
4.4.1 岩层倾角对稳定性的影响
4.4.2 强度各向异性程度对稳定性的影响
4.4.3 应变软化程度对稳定性的影响
4.4.4 各向同性简化替代的可行性分析
4.5 本章小结
5 各向异性Cosserat连续体模型在岩土工程问题中的进一步应用
5.1 引言
5.2 挡土墙被动土压力问题分析
5.3 地基极限承载力问题分析
5.4 本章小结
6 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
附录 公式推导中采用Matlab辅助计算的程序代码
攻读硕士学位期间发表学术论文及获奖情况
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]三维各向异性砂土UH模型[J]. 姚仰平,田雨,刘林. 工程力学. 2018(03)
[2]层状砂岩各向异性力学特性试验研究[J]. 邓华锋,王伟,李建林,张吟钗,张小景. 岩石力学与工程学报. 2018(01)
[3]考虑旋转各向异性相关结构的黏土边坡稳定性分析[J]. 程红战,陈健,王占盛,胡之锋,黄珏皓. 岩石力学与工程学报. 2017(S2)
[4]横观各向同性岩土材料应变局部化现象的有限元模拟[J]. 常江芳,徐远杰,楚锡华. 华南理工大学学报(自然科学版). 2016(10)
[5]三轴试样破坏后应变局部化影响的实验研究[J]. 邵龙潭,刘港,郭晓霞. 岩土工程学报. 2016(03)
[6]上海软黏土强度固有各向异性[J]. 高彦斌,楼康明. 同济大学学报(自然科学版). 2013(11)
[7]三维Cosserat连续体模型与微结构尺寸相关效应的有限元分析[J]. 唐洪祥,胡兆龙. 计算力学学报. 2013(03)
[8]三种边坡安全系数计算方法对比研究[J]. 刘杰,李建林,王乐华,骆世威,朱敏,周济芳,赵宗勇. 岩石力学与工程学报. 2011(S1)
[9]基于变换应力方法的各向异性模型三维化[J]. 王乃东,姚仰平. 岩土工程学报. 2011(01)
[10]各向异性软黏土地基上浅基础破坏包络面研究[J]. 范庆来,栾茂田. 岩石力学与工程学报. 2010(11)
硕士论文
[1]大变形Cosserat有限元数值方法的实现及其应用[D]. 孙发兵.大连理工大学 2018
[2]变分原理及低阶单元在Cosserat连续体中的实现与应用[D]. 管毓辉.大连理工大学 2013
[3]三维Cosserat连续体模型及其数值应用[D]. 胡兆龙.大连理工大学 2013
本文编号：3046016
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：107 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 岩土体各向异性问题的研究进展
1.3 岩土体应变局部化问题的研究进展
1.3.1 试验研究
1.3.2 理论与数值研究
1.4 耦合各向异性与应变软化的有限元数值方法研究现状
1.5 本文的主要研究内容及技术路线
1.5.1 本文主要研究内容
1.5.2 研究技术路线
2 各向异性Cosserat连续体弹塑性本构模型理论推导及数值模拟
2.1 理论背景
2.1.1 Cosserat连续体理论
2.1.2 微结构张量联合应力不变量强度各向异性理论方法
2.2 Cosserat连续体下强度各向异性D-P本构理论推导及数值实现方法
2.2.1 耦合强度各向异性与应变软化的Drucker-Prager屈服准则
2.2.2 率本构方程积分的返回映射算法
2.2.3 一致性弹塑性切线模量矩阵
2.2.4 有限元数值实现方法
2.3 程序开发有效性的试验验证
2.4 算例分析-平面应变条件下的压缩模型
2.4.1 应变软化程度对承载力的影响
2.4.2 强度各向异性对承载力的影响
2.4.3 考虑强度各向异性下固结方向对承载力的影响
2.4.4 Cosserat连续体模型与经典连续体模型的对比分析
2.5 本章小结
3 耦合强度各向异性与应变软化的土坡稳定有限元分析
3.0 引言
3.1 边坡稳定分析中的强度各向异性方法对比
3.2 适用于边坡稳定分析的强度各向异性Drucker-Prager屈服准则
3.3 有限元边坡稳定分析方法
3.3.1 容重增加方法实现简述
3.3.2 容重增加方法可靠性验证
3.4 应变软化与强度各向异性对土坡稳定性的影响
3.4.1 各向异性程度对土坡稳定性的影响
3.4.2 应变软化程度对土坡稳定性的影响
3.4.3 强度各向异性与应变软化耦合效果分析
3.5 Cosserat连续体模型与经典模型在土坡稳定分析中的对比
3.6 本章小结
4 各向异性Cosserat连续体模型在层状岩体中的应用
4.1 引言
4.2 Cosserat连续体理论下的弹性各向异性本构模型
4.3 模拟岩样的单轴压缩试验
4.3.1 引入弹性各向异性后的有效性验证
4.3.2 模拟层理岩样的单轴压缩试验
4.4 顺倾层状岩质边坡稳定分析
4.4.1 岩层倾角对稳定性的影响
4.4.2 强度各向异性程度对稳定性的影响
4.4.3 应变软化程度对稳定性的影响
4.4.4 各向同性简化替代的可行性分析
4.5 本章小结
5 各向异性Cosserat连续体模型在岩土工程问题中的进一步应用
5.1 引言
5.2 挡土墙被动土压力问题分析
5.3 地基极限承载力问题分析
5.4 本章小结
6 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
附录 公式推导中采用Matlab辅助计算的程序代码
攻读硕士学位期间发表学术论文及获奖情况
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]三维各向异性砂土UH模型[J]. 姚仰平,田雨,刘林. 工程力学. 2018(03)
[2]层状砂岩各向异性力学特性试验研究[J]. 邓华锋,王伟,李建林,张吟钗,张小景. 岩石力学与工程学报. 2018(01)
[3]考虑旋转各向异性相关结构的黏土边坡稳定性分析[J]. 程红战,陈健,王占盛,胡之锋,黄珏皓. 岩石力学与工程学报. 2017(S2)
[4]横观各向同性岩土材料应变局部化现象的有限元模拟[J]. 常江芳,徐远杰,楚锡华. 华南理工大学学报(自然科学版). 2016(10)
[5]三轴试样破坏后应变局部化影响的实验研究[J]. 邵龙潭,刘港,郭晓霞. 岩土工程学报. 2016(03)
[6]上海软黏土强度固有各向异性[J]. 高彦斌,楼康明. 同济大学学报(自然科学版). 2013(11)
[7]三维Cosserat连续体模型与微结构尺寸相关效应的有限元分析[J]. 唐洪祥,胡兆龙. 计算力学学报. 2013(03)
[8]三种边坡安全系数计算方法对比研究[J]. 刘杰,李建林,王乐华,骆世威,朱敏,周济芳,赵宗勇. 岩石力学与工程学报. 2011(S1)
[9]基于变换应力方法的各向异性模型三维化[J]. 王乃东,姚仰平. 岩土工程学报. 2011(01)
[10]各向异性软黏土地基上浅基础破坏包络面研究[J]. 范庆来,栾茂田. 岩石力学与工程学报. 2010(11)
硕士论文
[1]大变形Cosserat有限元数值方法的实现及其应用[D]. 孙发兵.大连理工大学 2018
[2]变分原理及低阶单元在Cosserat连续体中的实现与应用[D]. 管毓辉.大连理工大学 2013
[3]三维Cosserat连续体模型及其数值应用[D]. 胡兆龙.大连理工大学 2013
本文编号：3046016
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