液饱和多孔介质动力响应的弹塑性有限元分析

【摘要】：基于混合物理论的多孔介质理论,由于是在连续介质理性力学框架内提出的,因此从物理上和数学上均有很好的一致性,如今已越来越被人们所广泛接受。而在液饱和多孔介质动力响应问题上,有限元数值分析方法已日益成为其研究的重要手段。 论文首先较系统的回顾了液饱和两相多孔介质的发展历程和现状,并概述了两相多孔介质其动力响应的有限元数值分析研究现状。然后针对基于混合物理论的两相多孔介质模型,将固体骨架看作是各向同性介质,将孔隙间的液体看作是理想流体,建立了固相骨架变形与液相流体流动相互耦合的动力问题控制场方程。并利用拉普拉斯变换技术,得到了液饱和两相多孔介质一维问题的动力响应解析解。同时采用Galerkin加权残值法导出液饱和两相多孔介质动力响应问题的罚有限元公式,通过在连续方程中引入压力与罚参数之比项,消去控制方程中的压力项,降低了节点自由度和方程的规模。并编制的二维线弹性有限元分析计算程序,计算了液饱和两相多孔介质分别在周期载荷和阶跃载荷作用下的动力响应情况,同时把有限元结果与其相应的一维解析解进行了对比,发现两者的结果是基本一致的,证明了方法和程序的正确性。 由于实际工程中,许多多孔介质材料均需视为非线性材料处理,因此其固相骨架代线弹性假设此时已不能满足要求。论文采用关联流动法则,把固相骨架的本构关系由线弹性本构进一步发展成为弹塑性本构,并推导出了液饱和两相多孔介质的弹塑性动力有限元基本方程。同时还给出了运用Newmark隐式积分法求解的适合于两相多孔介质的非线性迭代过程。然后利用Fortran编写了液饱和两相多孔介质弹塑性动力有限元程序,该程序可以处理平面应力、平面应变和轴对称等问题。最后利用自编的该弹塑性有限元程序分别计算了液饱和多孔介质受撞击载荷作用下的一维动力响应问题和阶跃载荷作用下的二维多孔介质体的沉降问题两个算例,得到了较好的结果。