基于统一硬化参数的深海能源土本构模型及其ABAQUS二次开发

发布时间：2020-07-06 23:54

【摘要】：天然气水合物被认为是21世纪极具开发前景的新型战略性替代能源,是一种亚稳态物质,温度升高或是压力降低都能导致水合物分解。深海能源土是指含天然气水合物的深海沉积土体,水合物的形成和分解会影响能源土的强度、刚度、剪胀等特性。能源土本构特性的模拟对天然气水合物的安全开采至关重要。本文针对水合物的形成对能源土强度、刚度、剪胀等特性的影响,主要进行了能源土本构模型的研究及其基于ABAQUS的UMAT子程序的开发与验证。本文主要完成了以下工作:(1)综述了国内外对深海能源土力学特性以及本构模型的研究现状,梳理了本构模型的UMAT二次开发的进展情况,简介了建立岩土材料本构模型的相关理论,包括屈服准则、加卸载准则、流动法则以及硬化规律等内容。简述了姚仰平等提出的统一硬化参数以及UH模型基本公式。(2)针对能源土强度、剪胀和软化等力学特性,分析了水合物饱和度、赋存形态等因素的影响机理。引入了密实性参量和结构性参量两个饱和度参量来反映水合物对能源土强度和变形的影响。在修正剑桥模型基础上,引入密实性参量和结构性参量,采用统一硬化参数和关联流动法则,建立了能源土的本构关系,推导了相应的弹塑性矩阵。通过模型模拟结果与已有能源土三轴试验数据对比分析,验证了模型的合理性和有效性。(3)梳理概括了ABAQUS及其UMAT子程序的相关理论,简单介绍了显示应力积分算法,重点推导了半隐式应力积分算法的公式,总结了半隐式积分算法流程,为实现能源土本构模型的二次开发做好理论准备。(4)根据能源土弹塑性本构关系公式和二次开发所需的应力应变更新公式,利用ABAQUS提供的用户材料子程序接口UMAT,采用FORTRAN语言和半隐式向后Euler积分算法开发出了UMAT子程序。并进行了单个单元以及多个单元模型的三轴试验路径模拟,验证了二次开发子程序的正确性。
【学位授予单位】：青岛理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P744
【图文】：

赋存方式,水合物

图 3.3 水合物赋存方式[61]：(a) 填充型；(b) 土体骨架型；(c) 胶结型合物三种赋存模式，可以从微观机理上分析水合物对能源土以及软化等特性的影响。水合物以填充模式漂浮于孔隙中，为土颗粒之间的相互作用力，此种赋存模式下，水合物对土水合物起到增加沉积物密度的作用[62]，性质与超固结土或密物颗粒生长到能与土颗粒相接触，或沉积物受力过程中土颗水合物颗粒相接触时，水合物会阻碍土颗粒的运移，宏观表继续发展，影响了土颗粒的重排列和重分布，进而对能源土。胶结赋存模式的水合物与前述两种类型对土骨架的影响机明显不同，如果考虑胶结结构对于黏聚力的贡献，胶结赋存学行为与超固结的结构性土颇为相似[32]。由于水合物的存在成胶结作用，水合物胶结的存在限制了能源土在受力过程中相对移动，继而提高了能源土整体刚度和抗剪强度[6]。然而

分布形态,水合物沉积,压缩曲线,水合物

最后通入蒸馏水制备出饱和的能源土试样后进行标准压缩试验，试验数据如图 3.4 中散点所示。由图3.4中数据点分布形态可以看出，能源土压缩曲线类似于结构性土的压缩曲线形态，蒋明镜等在文献[66]中也曾认为能源土是一种特殊的结构性土。土的结构性是指土中颗粒或土颗粒集合体以及它们之间的孔隙的大小、形状、排列组合及联结等综合特征[67]。颜荣涛[62]、杨期君[33]等研究了能源土结构性与水合物赋存形态之间的关系。水合物以填充模式漂浮于孔隙中，或以接触模式粘附于土骨架颗粒上或包裹附近的骨架颗粒形成骨架的一部分。水合物占据土颗粒间的孔隙，增加了能源土密实程度，体现出密实性；水合物的附着增加了土骨架的承载能力，水合物还会阻碍土颗粒的运移，宏观表现为阻碍剪应变的继续发展，影响土颗粒的重排列和重分布，使能源土呈现出一定的结构性。Pinkert[68]指出，在能源土变形过程中，水合物的赋存形态并不是恒定的，如水合物颗粒破碎或与骨架颗粒的胶结作用消失

能源,水合物,结构性,密实性

图 3.5 能源土的压缩曲线示意图压缩试验结果和力学特性表明：(1) 压缩曲L，其差异主要由密实性引起。水合物饱和密实，类似于超固结土，显示出水合物的(2) 压缩曲线 KCL 越过 RCL，相同孔隙比由水合物生成过程、水合物赋存形态等引的结构性性影响，用引入的结构性参量 p了能源土的压硬性和潜在强度，用潜在强此，能源土密实性和结构性综合影响了能材料，不含水合物（hS 0）时其等向压砂土等向压缩特性，RCL 方程为：e N ln( p +p)

【参考文献】