收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

含液多孔介质中失稳现象理论研究及应变局部化的有限元—无网格耦合方法

张俊波  
【摘要】: 研究含液多孔介质的失稳现象,诸如基坑工程或隧洞的开挖过程中可能出现的地基沉降甚至坑壁垮塌;以及边坡或堤坝由地震或暴雨所引发的滑动破坏(通常称为滑坡现象或边坡失稳)具有很重要的工程和理论意义。本论文从理论分析和数值模拟两个方面致力于研究在静、动力荷载作用下含液(特别是饱和)多孔介质中驻波间断、颤振失稳和应变局部化等破坏现象和过程。 在多孔介质受到冲击或爆炸等高频模态占主导地位的脉动荷载作用时,人们需要研究介质中应力波的传播过程。工程中许多多孔材料为塑性应变软化材料。在应力波的传播过程中,介质内某处的受力状态将首先达到材料的极限承载能力,并伴随以在介质中局部狭窄区域内急剧发生非弹性应变为特征的应变局部化现象和承载能力的急剧下降。 本论文基于饱和与非饱和含液多孔介质的非线性动力.渗流耦合模型(广义Biot模型)。计及介质中流固两相的惯性耦合,具体考虑模拟介质压力相关弹塑性本构行为的非关联Drucker-Prager准则,忽略液相和固相颗粒的压缩性。详细分析了二维情况下含液饱和多孔介质在动力荷载作用下波传播过程的间断和失稳,导出了在波传播过程中产生驻波间断和动力颤振失稳的临界条件。驻波间断是由于应变软化导致材料失稳的结果,它并不一定意味着完全丧失波通过间断面在介质中继续传播的能力。颤振失稳则是因为模拟含液多孔介质固体骨架的非关联塑性本构行为所致,它可以先于驻波间断、即在塑性硬化阶段发生;但它仅可能在含液多孔介质中发生,对于固体材料即使为非关联塑性连续体也不可能发生颤振失稳现象。 波的逸散性意味着波的相速度随频率而变化。这一性质与正确模拟波在因应变软化引起的应变局部化区域中的传播密切相关。本论文基于上述耦合模型,对单轴应变一维情况讨论了非线性饱和—非饱和多孔介质中波传播过程的失稳现象和逸散性。分析了流固粘性耦合、流固惯性耦合、流固混合体的压缩性、孔隙饱和度及固体骨架材料在高应变速率下粘弹塑性本构行为等因素对失稳与逸散性的影响。由此所获得的结果和结论将为克服含液多孔介质在强动荷载作用下波传播过程数值模拟的困难提供理论基础和线索。 实验观察表明,在粘性土等多孔介质材料中因应变软化引起的在局部区域发生并急剧发展塑性变形的剪切带具有一定的宽度。此外,剪切带的萌发、发展直至最终形成是一个渐进破坏过程。为数值模拟和再现这一渐进破坏过程,本论文工作中作为正则化机制引入梯度塑性模型。对饱和多孔介质(也能作为退化情况用于固体材料)提出了一个归结为线性互补问题(Linear Complementary Problem)求解过程的梯度塑性连续体有限元—无网格耦合方法。 为模拟材料的弹塑性本构行为,对固体材料和饱和多孔介质分别采用von-Mises准则和非关联Drucker-Prager准则。利用在积分点上定义的离散塑性乘子值和采用基于移动最小二乘(Moving Least-Square)的无网格法插值近似假定塑性乘子场。而位移和压力场则利用定义在节点上的离散值采用有限元法插值近似。因而可充分发挥无网格法与有限元法的各自优势,而避免它们的各自缺点。 通过建立平衡方程的弱形式实现空间离散化,结合在积分点上逐点满足而不是积分意义下满足非局部本构方程和屈服条件,导出相应的线性互补问题标准型。并通过Lexico-Lemke算法求解。发展了一个基于向后欧拉返回映射积分方案和利用Newton-Raphson方法的全局迭代过程的一致性算法,使得空间离散的平衡方程和在每个积分点上的非局部本构方程和屈服准则在每次全局迭代中同时满足。值得强调指出,所提出方法在保证二阶收敛率的同时无需形成非局部一致性切线刚度矩阵;另外,对于非关联塑性模型,所导出的为线性互补问题求解的全局广义刚度阵仍保持对称。数值结果表明,所发展的模型和一致性算法能正确模拟由应变软化引起的以应变局部化为特征的渐进破坏过程。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 李锡夔,刘泽佳,严颖;饱和多孔介质中的混合有限元法和有限应变下应变局部化分析[J];力学学报;2003年06期
2 赵纪生,陶夏新,师黎静,欧进萍;饱和多孔介质材料的应变局部化萌生条件[J];岩土力学;2004年05期
3 唐洪祥;李锡夔;;饱和多孔介质中动力渗流耦合分析的Biot-Cosserat连续体模型与应变局部化有限元模拟[J];工程力学;2007年09期
4 张洪武;饱和多孔介质动力应变局部化分析中的内尺度律[J];岩土力学;2001年03期
5 张洪武;应变局部化分析中两类不同材料模型的讨论[J];力学学报;2003年01期
6 张引科,杨林德,昝会萍;饱和多孔介质中球形空腔的动力响应[J];陕西师范大学学报(自然科学版);2003年03期
7 王盛源;饱和多孔介质粘弹性理论[J];中国科学A辑;1989年07期
8 王学滨,潘一山;地质灾害中的应变局部化现象[J];地质灾害与环境保护;2001年04期
9 黄淑萍,石志飞;饱和多孔介质耦合系统的广义变分原理[J];北方交通大学学报;1998年01期
10 黄淑萍,石志飞,章梓茂;关于饱和多孔介质变分原理的研究[J];铁道学报;1998年01期
11 石志飞,黄淑萍,章梓茂;饱和多孔介质耦合系统的变分原理[J];应用数学和力学;1999年03期
12 张洪武,周雷,黄辉;含液各向异性多孔介质应变局部化分析[J];岩土力学;2004年05期
13 师自海,堀井秀之;断裂力学及边界元法在有限体应变局部化问题中的应用[J];力学学报;1992年01期
14 石志飞,黄淑萍,杜善义;饱和多孔介质耦合系统的几类变分原理[J];固体力学学报;1998年02期
15 杜修力;李立云;;饱和多孔介质近场波动分析的一种黏弹性人工边界[J];地球物理学报;2008年02期
16 张洪武;王鲲鹏;陈震;;基于物质点方法饱和多孔介质动力学模拟(Ⅰ)——耦合物质点方法[J];岩土工程学报;2009年10期
17 张洪武;王鲲鹏;陈震;;基于物质点方法饱和多孔介质动力学模拟(Ⅱ)——饱和多孔介质与固体间动力接触分析[J];岩土工程学报;2009年11期
18 张洪武;王鲲鹏;;基于物质点方法饱和多孔介质动力学模拟(Ⅲ)——两相物质点方法[J];岩土工程学报;2010年04期
19 董俊,赵成刚;三维半球形凹陷饱和土场地对平面P波散射问题的解析解[J];地球物理学报;2005年03期
20 董俊,赵成刚;半球形凹陷饱和土半空间对入射平面SV波三维散射问题的解析解[J];地球物理学报;2005年06期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 张洪武;;渗流作用下饱和多孔材料应变局部化有限元分析研究工作的现状与若干进展[A];“力学2000”学术大会论文集[C];2000年
2 刘占芳;冯晓伟;;饱和多孔介质中的应变局部化分析[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
3 章梓茂;石志飞;;饱和多孔介质中六类变量的广义变分原理[A];“力学2000”学术大会论文集[C];2000年
4 赵毅鑫;汉京礼;姜耀东;;基于微焦点CT扫描的煤岩材料应变局部化数值模拟研究[A];塑性力学新进展——2011年全国塑性力学会议论文集[C];2011年
5 李锡夔;张俊波;;颗粒材料耦合问题数值方法及破坏分析[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
6 钱建固;黄茂松;;土体应变局部化理论与分叉后的力学性状[A];中国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文集(上册)[C];2003年
7 赵纪生;陶夏新;师黎静;;基于应变局部化原理的边坡稳定分析方法[A];第十二届全国结构工程学术会议论文集第Ⅱ册[C];2003年
8 黄茂松;吕玺琳;;非局部理论克服网格敏感性谱分析研究[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
9 徐曾和;徐小荷;;饱和多孔介质孔隙变形的有效应力定理Ⅰ-微孔洞模型[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(下)[C];2005年
10 卢梦凯;张洪武;郑勇刚;;饱和多孔介质接触分析的两相物质点法研究[A];中国计算力学大会'2010(CCCM2010)暨第八届南方计算力学学术会议(SCCM8)论文集[C];2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张俊波;含液多孔介质中失稳现象理论研究及应变局部化的有限元—无网格耦合方法[D];大连理工大学;2009年
2 王鲲鹏;基于物质点方法饱和多孔介质动力学模拟[D];大连理工大学;2009年
3 唐洪祥;基于Cosserat连续体模型的应变局部化有限元模拟[D];大连理工大学;2007年
4 周雷;多孔介质失稳特性研究与化学—水力—力学耦合流形元分析[D];大连理工大学;2007年
5 周浩洋;波传播的单位分解有限元法[D];大连理工大学;2006年
6 刘金龙;岩土应变局部化的有限单元理论与应用[D];武汉大学;2005年
7 叶朝汉;软土剪切带试验及其应用的研究[D];同济大学;2007年
8 赵冰;岩土介质应变局部化问题的广义塑性梯度理论研究[D];西安理工大学;2006年
9 秦建敏;基于离散元模拟的岩土力学性能研究及应变局部化理论分析[D];大连理工大学;2007年
10 刘泽佳;多孔介质中化学—热—水力—力学耦合分析与混合元方法[D];大连理工大学;2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张兴;颗粒材料应变局部化的数值分析与试验模拟[D];大连理工大学;2012年
2 胡海飞;饱和多孔介质三维非线性动力分析的耦合物质点法[D];大连理工大学;2010年
3 房志辉;单层饱和多孔介质一维瞬态响应半解析解[D];浙江大学;2011年
4 宁加星;砂土应变局部化的数值分析[D];天津大学;2010年
5 刘祖文;基于应变局部化理论的土与结构接触面本构关系研究[D];西安建筑科技大学;2010年
6 程详;应变局部化现象与巷道围岩破坏机制研究[D];安徽理工大学;2012年
7 陈军;排水饱和多孔介质Green函数与工程运用[D];浙江工业大学;2011年
8 姚冬梅;间断伽辽金有限元法及弹塑性固体和饱和多孔介质中动力和波传播问题分析[D];大连理工大学;2002年
9 王国军;饱和多孔介质粘弹性动力人工边界及其在隧道动力分析中的应用[D];北京交通大学;2007年
10 刘清华;饱和多孔介质三维时域粘弹性人工边界与动力反应分析的显式有限元法[D];北京交通大学;2009年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978