多向应力状态下岩石拉剪区和应变软化本构模型算法研究

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岩石的强度特性与峰后力学行为是岩土工程领域重点关注的问题。通常单一的本构模型无法实现对岩石、混凝土这类具有复杂力学性质材料的精确模拟,针对Drucker-Prager(D-P)准则于拉剪区预测应力偏大、不具有应力角效应的不适用性问题,本文提出基于Rankine准则的修正D-P模型。在拉剪区内将Rankine棱锥面与D-P圆锥面结合,在不改变D-P准则压剪区的基础上,考虑实际抗拉强度。在算法实现层面,从隐式积分的角度,同时考虑线性软化/强化的情形,结合D-P模型塑性流动方向易于确定、Rankine准则于主应力空间线性的特点,推导了结合模型的本构积分算法与对应的一致切线模量。利用ABAQUS所提供的用户材料子程序接口,实现了本构模型的二次开发。通过对凝灰岩三轴混合拉伸压缩试验和单轴拉伸压缩试验的数值模拟,验证了算法的正确性。针对岩石材料应变软化问题和有限元求解过程中面临的切线刚度矩阵负定问题,本文基于D-P强度准则建立了考虑围压的岩石弹塑性应变软化本构模型,并提出相应的加卸载准则。模型引入了各向同性软化假定,将岩石应变软化过程简化为一系列脆塑性-塑性流动过程,强度参数随软化参数的变化采用指数关系式进行非线性拟合,本构积分算法同样采用精确的具有无条件稳定特点的隐式积分算法(径向返回映射算法)。文章详述了应变软化过程模拟方法及程序实现过程,编制了Fortran计算程序(UMAT)并将其成功地嵌入到大型有限元软件ABAQUS中。研究结果表明,所建立的应变软化模型计算方便、参数简单、物理意义明确,能够较好地模拟岩石材料的峰后软化特性。
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