考虑高围压和高应变率的岩石类材料弹塑性损伤本构模型 (1)

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1、天津大学博士学位论文考虑高围压和高应变率的岩石类材料弹塑性损伤本构模型ConstitutiveModelswithElasto-plasticDamagesforRock-likeMaterialsSubjectedtoHighConfiningPressuresandHighStrainRates学科专业：固体力学研究生：李会云指导教师：石广玉教授天津大学机械工程学院2017年5月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人

2、已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签

3、名：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据中文摘要随着高层建筑和各类地下工程的发展，高围压和高应变率下岩石类材料的力学特性在理论和工程中越来越受到重视。资源开发已进入深部开采阶段，高地应力现象日益突出，岩爆与冲击地压聚增等对深部资源的安全开采造成了很大的威胁。岩石类材料的动力学特性是研究应力波传播规律、抗震工程设计的依据。经典的岩石类材料强度准则建立在低围压和静态条件下，不适用于高地应力和动态冲击问题。岩石类材料的本构模型作为岩土工程设计的重要理论基础，高地应力和动态荷载条件下岩石表现出的非线性强度特征无法用传统模型进行准

4、确描述。由于岩石类材料的拉伸强度远远低于压缩强度，如何描述其在拉应力作用下的破坏，也是其材料模型需要考虑的。用计算机模拟岩石类材料变形和破坏的非线性力学行为，要求材料的本构模型应具有简洁的函数形式和较少且较易确定的材料参数。到目前为止，虽然提出了很多岩石类材料的本构模型，但能够综合考虑高围压效应、应变率敏感性、拉压损伤软化特性、高效和简单实用的岩石计算材料模型还较少。本文基于弹塑性损伤力学理论，用宏观唯象的方法对岩石类材料的本构模型展开研究，具体内容可以分为以下几个方面：1.基于扩展的Drucker-Prager强度准则和J

5、ohnson-Cook材料模型，建立考虑高围压、高应变率条件下岩石材料的弹塑性损伤本构模型。材料模型加入应力偏张量第三不变量对强度的影响，采用非关联塑性流动法则描述塑性变形。引入两个标量形式的损伤变量分别描述拉伸损伤和压缩损伤。岩石在承受拉伸荷载时是脆性破坏，可以用体积应变表征岩石损伤变量的演化，拉伸损伤变量定义为体积应变的指数函数。岩石在受到压缩时是延性破坏，材料的损伤主要由塑性变形引起，所以压缩损伤变量以等效塑性应变和塑性体积应变的累积来描述。2.由于普通混凝土的强度一般小于岩石的强度，相同加载条件下，混凝土的塑性损伤比

6、岩石的损伤大。因此采用相关联塑性流动法则描述混凝土材料的塑性变形，建立了高压力和高应变率作用下混凝土的弹塑性损伤本构模型。拉伸和压缩损伤变量的定义与岩石材料模型的定义相同。3.由于摩擦和围压的影响，岩石破坏后仍然具有一定的残余强度，但是岩石强度峰值后的残余强度不能被理论模型准确地描述。根据岩石材料三轴压缩试验数据，采用拟合方法建立了围压与残余强度的关系。并基于峰值后的残余强度建立了岩石的加载曲面，从而可以更准确的考虑围压对岩石峰值后残余强度的影响。其中采用二次多项式的形式拟合围压与峰值强度和残余强度的关系，用指数函数拟合围压

7、与强度衰减系数的关系。加入残余强度修正的本构模型能更准确的I万方数据模拟岩石类材料的峰后软化行为。4.根据所建立岩石类材料的本构模型，用Fortran编写子程序并将子程序嵌入LS-DYNA材料模型库中，文中也给出了材料模型中参数的确定方法。通过对岩石材料基本试验(拉伸、压缩、巴西劈裂、霍普金森杆冲击)的模拟对所建岩石的本构模型进行了验证，数值模拟结果与试验结果吻合良好。表明所建岩石本构模型可以准确地描述岩石材料的围压、应变率硬化现象，可较好的模拟复杂受力下岩石的力学行为。在弹丸对岩石靶板的冲击算例中，数值模拟计算得到的弹体侵

8、彻深度与试验结果吻合较好，岩石靶板的拉伸损伤分布与试验中的裂纹形式基本一致。此算例验证了文中所给岩石材料模型可以较好地模拟冲击荷载作用下岩石的损伤和破坏行为。5.用所建的混凝土模型计算得到混凝土试件在不同加载条件下的应力-应变关系，其结果与试验结果基本一致。并模拟了弹体对混凝土靶板冲击过程