基于摩尔库伦准则岩石材料UMAT子程序二次开发

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近年来,国内外众多重大岩体工程相继发生失稳破坏,造成了巨大的经济损失和大量的人员伤亡。然而,现有的数值方法却不能够很好地模拟岩体工程的稳定性。因此,开发一种能够考虑岩石裂纹的萌生、扩展和贯通并且可以模拟岩体工程稳定性的程序,是一个迫切需要解决的问题。ABAQUS是现在通用的有限元专业软件之一,具有强大的非线性分析功能,同时ABAQUS提供的二次开发子程序接口可以方便用户根据自身需要建立用户子程序,扩充ABAQUS的用途。其中UMAT子程序接口具有稳定性好、开放性强等特点,被众多学者用来研究和开发本构模型。因此,本文在研究岩石损伤统计本构模型的基础上,给出了基于摩尔库伦准则的岩石弹塑性UMAT子程序,并对其参数进行了分析。在对岩石的损伤统计本构模型进行研究时,采用了新的岩石微元强度量方法及考虑了岩石损伤阀值的影响。同时推导了岩石本构中损伤变量的表达式,并分析了岩石本构模型参数的确定,最终给出了岩石本构程序设计流程。岩石在产生损伤前就己经进入弹塑性阶段,然而最常采用的判断岩石材料是否屈服的摩尔库伦准则存在数值计算繁琐和收敛缓慢等缺点,因此本文对传统摩尔库伦准则采用屈服函数拐角处理和双曲线逼近屈服函数两种方法进行改进。求解出了改进的屈服函数一阶偏导数及势函数的一阶偏导数、二阶偏导数的表达式,此表达式可用于弹塑性本构模型的塑性修正及一致性切线模量的计算。本文基于改进的摩尔库伦准则,编写了岩石损伤统计本构模型中未发生损伤部分的弹塑性本构模型UMAT子程序。分别采用单轴压缩试验、纯剪切试验、单轴拉伸试验对比基于改进后的摩尔库伦准则UMAT子程序的计算结果与ABAQUS自带摩尔库伦准则程序的计算结果,验证了本文基于摩尔库伦准则所开发的未考虑损伤的岩石弹塑性本构模型UMAT子程序的准确性。运用所开发的子程序分析了单轴压缩试验、纯剪切试验、单轴拉伸试验三种不同情况下过渡角的变化对应力应变计算结果的影响。最后,给出岩石损伤统计本构模型中产生损伤阶段的算法设计思路。
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