基于能量耗散理论的冻土弹塑性损伤本构模型研究

发布时间：2017-01-04 07:43

  本文关键词：冻土三轴蠕变非线性数学模型研究，由笔耕文化传播整理发布。

《安徽理工大学》 2009年

基于能量耗散理论的冻土弹塑性损伤本构模型研究

李志敏  

【摘要】： 早期的岩土本构理论,只根据力学控制条件,从不包含能量原理的微分方程中寻求解答。而对于一般变形过程的研究,完整的微分方程必须包含能量原理,因为外力做功产生能量的一部分不可避免要以热的形式耗散。从热力学假设出发,构造能量耗散函数,研究耗散应力空间和真实应力空间的屈服面和流动法则,从而推进塑性理论的发展。这种方法不仅具有更好的普遍性,而且理论依据明确。本文用此种方法研究冻土的本构模型。 现有的大量研究成果表明:在载荷作用下,冻土体内存在大量微裂纹的萌生和扩展及土颗粒的重新定向,导致承载能力的降低。因而用损伤理论来研究冻土的变形过程可以进一步深入掌握冻土的力学性能。 由能量耗散理论出发,将冻土的耗散函数表示成塑性耗散(DP屈服准则)和损伤耗散之和的形式,其中塑性耗散函数中耦合了损伤变量;再通过弹塑性及损伤的演化过程,建立了冻土弹塑性损伤增量本构模型,并给出了其有限元格式。 本文与塑性相关的模型参数可由冻土的常规单轴、三轴试验获得。冻土发生的损伤,可间接反应于弹性模量的变化;在偏应力应变曲线的基础上,通过冻土的割线弹性模量变化,表现损伤的变化,从而确立与损伤相关的模型参数。 通过模型的有限元模拟曲线与试验曲线对比表明:本文提出的数值计算模型及其参数符合模型试验条件。

【关键词】：
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：P642.14
【目录】：

摘要5-6

ABSTRACT6-13

1 绪论13-19

1.1 冻土力学的研究现状13-15

1.2 基于热力学原理的本构模型15-16

1.3 冻土损伤力学的研究进展16-17

1.4 本文的研究内容17-18

1.5 研究的思路和结构18-19

2 冻土能量耗散理论的热力学基础19-32

2.1 材料热力学简介19

2.2 热力学第一和第二定律的微分形式19-22

2.2.1 能量守恒定律19-21

2.2.2 熵增定律21-22

2.3 物质能量耗散系统的相关理论22-26

2.3.1 由能量守恒定律导出的能量耗散系统相关方程22-23

2.3.2 由熵增原理导出的能量耗散系统的相关方程23-26

2.4 LEGENDRE 转换26-27

2.5 冻土能量耗散过程状态变量的选择27-32

2.5.1 外部状态变量28-29

2.5.2 内部状态变量29-31

2.5.3 冻土等温过程状态变量的选择31-32

3 冻土弹塑性损伤本构模型32-48

3.1 损伤基本概念32-34

3.1.1 损伤变量32

3.1.2 有效应力与损伤影响张量32-34

3.2 冻土的弹性损伤本构关系34-36

3.3 冻土的弹塑性损伤增量本构模型36-37

3.4 冻土的耗散势函数37-40

3.4.1 冻土的塑性耗散势函数（屈服准则）37-39

3.4.2 冻土的损伤耗散势函数（屈服准则）39-40

3.5 冻土的弹塑性及损伤演化过程40-43

3.5.1 冻土的塑性演化过程40-41

3.5.2 冻土的损伤演化过程及其相关量41-43

3.6 冻土弹塑性损伤的有限元分析43-46

3.6.1 损伤有限元本构方程的推导44-45

3.6.2 弹塑性损伤增量的有限元格式45-46

3.7 本章小结46-48

4 模型参数的确定48-70

4.1 冻土单轴试验48-54

4.1.1 试验设备48-49

4.1.2 试验土样及其制备49

4.1.3 试验内容49

4.1.4 试验结果与分析49-54

4.2 冻土的三轴试验54-57

4.2.1 试验设备和试验方法54

4.2.2 冻土三轴剪切试验结果与分析54-57

4.3 冻土的损伤试验57-68

4.3.1 冻土损伤检测技术57-61

4.3.2 冻土损伤变量的三轴试验测定法61-67

4.3.3 损伤参数的确定67-68

4.4 模型结果验证68-70

5 结论与建议70-72

5.1 主要结论70

5.2 论文的不足与下一步工作展望70-72

参考文献72-76

致谢76-77

作者简介及读研期间主要科研成果77-78

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