砂土旋转硬化本构模型构建及在海洋工程中应用

论文摘要

在海洋工程中,波浪荷载及其它循环荷载作用下海底沉积物变形与强度特性直接影响结构地基的稳定性。海床失稳或地基承载力失效则对海洋结构产生破坏,轻则造成一定量的经济损失,重则引发海洋生态灾害。在低应力条件下,砂土具有可液化特性,使得砂土海床地基在外界动力作用下更容易引发灾害问题。数值方法是目前评价海洋工程场地动力效应最为有效的技术手段,但需要结合能够描述复杂加载的土体本构模型。本文基于砂土基本力学特性开发了旋转硬化本构模型并结合数值平台Abaqus将其应用于海洋工程中。开展的工作及取得的成果如下:1.构建砂土等向硬化本构模型:通过分析砂土压缩特性及其在0)-lg平面内非线性特点,提出更适合于描述砂土在等向压缩路径下的参考压缩线,并使用对数-幂函数进行数学描述;在此基础上引入统一硬化（UH）参量构建了砂土体积硬化参量。提出适用于描述砂土剪胀特性的屈服面表达式。通过分析屈服面形状参数对屈服面形状的影响,选取了合适的屈服面形状参数并在等有效压力（）路径下给出了另外一个屈服面形状参数a的确定方法。利用当前应力比所对应的压缩线作为状态参量参考线,以调控硬化参数与剪胀方程,进而反映砂土的压缩及剪胀特性。这种做法实现了砂土由压缩至剪切过程中状态参量的统一表述。利用Toyoura砂的等向压缩试验、不排水剪切试验及排水剪切试验对等向硬化本构模型进行验证,并分析了屈服面形状参数及参考压缩线斜率对本构模型预测结果的影响。研究结果表明等向硬化本构模型能够很好描述各向同性条件下Toyoura砂在不同孔隙比和不同压力下的力学特性。2.建立旋转硬化本构模型:在等向硬化本构模型基础上引入旋转硬化规律,以描述应力诱导各向异性对砂土力学特性影响。建议的屈服面随着各向异性的发展而逐渐变为扁平,并能够退回至等向硬化本构模型屈服面。采用插值方法获取各向异性压缩线,使屈服面旋转时参考压缩线随之改变。在体积硬化参量中引入统一硬化（UH）参量的同时,也考虑应力诱导各向异性影响,使屈服面的大小随应力诱导各向异性的发展而改变。引入考虑各向异性影响的状态参量来调控统一硬化（UH）参量和剪胀方程,以反映砂土的剪胀特性;利用Toyoura砂与Neveda砂的三轴单调加载试验与循环加载试验验证旋转硬化本构模型预测能力,结果表明本文建立的旋转硬化本构模型很好地描述了砂土单调加载与循环加载下的力学特性;此外,对比分析旋转硬化参数bl、br与剪胀修正参数Rk对模型预测的影响,并针对Toyoura砂给出了合理的bl、br、Rk取值范围。3.开发基于旋转硬化本构模型的Abaqus子程序:根据UH模型加卸载特点,修正了次阶应力点法中屈服面与当前应力点之间的相关关系,从而使次阶应力点法更适用于旋转硬化本构模型。基于优化的次阶应力点法将旋转硬化本构模型嵌入至Abaqus子程序UMAT中,实现了有限元软件的二次开发并完成了程序的调试。通过对比不排水剪切试验、排水剪切试验及循环加载试验的单元预测与Fortran程序预测结果,证明了基于次阶应力点法的有限元二次开发程序完全正确并且修正的次阶应力点法也较为合理。4.基于旋转硬化本构模型分析波浪-砂质海床相互作用:利用嵌入旋转硬化本构模型的Abaqus研究波浪作用下砂土海床力学特性,在此过程中利用弹性理论验证波浪荷载与模型边界条件的正确性,采用离心机水槽试验结果验证有限元模型在分析波土相互作用的适用性。研究极端海况下孔隙水压力响应、剪切应力变化特性及波浪引起海床瞬态液化过程,结果表明弹性海床与弹塑性海床对波浪的响应过程完全不同,波浪作用下弹塑性海床存在孔隙水压力累积现象,引起海床有效应力严重下降并部分达到液化状态,而弹性海床则不存在这一问题。

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摘要

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第一章绪论

1.1 研究意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 砂土特性研究现状分析

1.2.2 主要静力模型研究现状分析

1.2.3 复杂加载弹塑性模型研究现状

1.3 本文主要研究内容

1.3.1 章节安排

1.3.2 研究实施技术路线

第二章砂土等向硬化本构模型研究

2.1 引言

2.2 本构模型描述

2.2.1 砂土压缩特性

2.2.2 高压下砂土的极限孔隙比

2.2.3 砂土参考压缩线与临界状态线

2.2.4 等向硬化规律

2.2.5 屈服面方程

2.2.6 剪胀方程与塑性势面方程

2.2.7 状态参量参考线

f及特征状态应力比M_c'> 2.2.8 状态参量、潜在强度M_f及特征状态应力比M_c

2.2.9 塑性应变与总应变增量

2.3 等向硬化本构模型分析

2.3.1 等向压缩描述

2.3.2 砂土强度参数演化

2.3.3 等向硬化本构模型参数物理意义及获取方法

2.4 砂土等向硬化本构模型验证

2.4.1 砂土等向硬化本构模型参数

2.4.2 砂土等向硬化本构模型验证

2.5 模型参数对等向硬化本构模型的影响分析

2.6 本章小结

第三章砂土旋转硬化本构模型研究

3.1 引言

3.2 旋转硬化本构模型描述

3.2.1 屈服面方程

3.2.2 临界状态线与参考压缩线函数

3.2.3 各向异性压缩线函数

3.2.4 状态参量参考线

f及特征状态应力比M_c'> 3.2.5 状态参量φ、潜在强度M_f及特征状态应力比M_c

3.2.6 旋转硬化规律

3.2.7 体积相关硬化参量

3.2.8 剪胀方程

3.2.9 弹塑性本构张量

3.2.10 加卸载准则

3.3 旋转硬化本构模型三维化

3.4 模型分析

3.4.1 旋转硬化本构模型特点

3.4.2 旋转硬化参量在本构模型中的作用

3.4.3 应力路径描述

3.4.4 砂土循环活动性描述

3.5 本构模型参数分析

3.6 旋转硬化本构模型验证

3.6.1 Toyoura砂三轴试验验证

3.6.2 Neveda砂三轴试验验证

3.7 本构模型参数对模型预测结果影响分析

l对旋转硬化本构模型预测影响'> 3.7.1 参数b_l对旋转硬化本构模型预测影响

r对旋转硬化本构模型预测影响'> 3.7.2 参数b_r对旋转硬化本构模型预测影响

k对旋转硬化本构模型预测影响'> 3.7.3 参数R_k对旋转硬化本构模型预测影响

3.7.4 砂土密实度对循环加载影响

3.7.5 初始各向异性下砂土循环加载影响

3.8 本章小结

第四章旋转硬化本构模型有限元二次开发

4.1 引言

4.2 有限元方法简介

4.3 Abaqus有限元软件

4.3.1 Abaqus有限元软件简介

4.3.2 用户材料子程序

4.3.3 用户材料子程序UMAT接口

4.4 本构模型积分方法

4.5 次阶应力点法修正及应力处理

4.5.1 硬化参量修正

4.5.2 拉伸处理

4.5.3 次阶应力点法中的参数处理

4.6 Abaqus二次开发

4.6.1 旋转硬化本构模型积分计算流程

4.6.2 UMAT子程序开发

4.6.3 Abaqus平台下本构模型参数及计算变量输入

4.7 程序验证

4.7.1 三轴压缩预测

4.7.2 循环加载预测验证

4.8 本章小结

第五章基于弹塑性本构模型的海床-波浪相互作用分析

5.1 引言

5.2 波浪-海床作用基本理论

5.2.1 波浪与海床相互作用机制

5.2.2 数学方程及边界条件

5.3 波浪与海床相互作用数值验证

5.3.1 Abaqus中波浪荷载及边界条件验证

5.3.2 波浪水槽试验验证

5.4 波浪作用下饱和砂土质海床动力响应分析

5.4.1 海床有限元模型

5.4.2 波浪与本构模型参数

5.4.3 波浪荷载引起孔隙水压力变化分析

5.4.4 波浪引起剪应力分析

5.4.5 波浪作用下海床瞬态液化分析

5.5 本章小结

结论与展望

6.1 主要结论

6.2 存在问题及下一步工作

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张民生

导师: 姚仰平

关键词: 旋转硬化规律,本构模型,砂土,海洋工程

来源: 北京航空航天大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 北京航空航天大学

分类号: P75

DOI: 10.26937/d.cnki.gbhtu.2019.000001

总页数: 146

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