MSG塑性流动理论在岩土介质中的应用

摘要

细观、微观破坏理论，以及材料的尺度效应，都是当前固体力学和材料科学研究的一个重要课题，同时也是今后一个重要的发展方向。所以将细微观破坏理论引入岩土介质特性的研究中有着重大意义。岩土力学作为固体力学一个重要分支，其研究的课题多为国民经济建设与国防建设中的重要项目。由于岩土材料破坏是一个渐进的过程，其局部常出现高应变梯度区的应变局部化现象。开展针对岩土材料的应变梯度研究有着重要的现实意义。
　　 本文的主要内容是在岩石力学中引入基于细观机制的塑性应变梯度理论(Mechanism-based Strain Gradient plasticity，以下简称MSG理论)，研究了其在细观尺度下的破坏理论及尺度效应。在以往的应变梯度理论的研究中多是针对金属的应用，由于在金属的研究过程中没有考虑材料的可压缩性，所以无法用于岩石介质，本文则开展了关于岩石材料的应变梯度塑性研究工作，主要内容如下：
　　 (1)总结了应变梯度理论的发展历史，分析和归纳了前人这几十年来关于应变梯度理论的主要研究内容及成果。在压痕模型的基础上，对岩石介质表现出来的尺度效应进行了研究。
　　 (2)通过对岩体屈服准则、非线性理论的阐述和总结，针对选取的DP屈服准则，将MSG塑性应变梯度理论引入岩石破坏的理论研究中，采用微细观两种尺度分层次的研究。在微观尺度，基于物理机制的模型，在MSG塑性应变梯度理论基础上，建立了一个基于DP屈服准则的岩石材料的应变梯度塑性增量模型。
　　 (3)在有限元分析中采用了非线性有限元分析方法，利用大型商用有限元分析软件ABAQUS的用户单元子程序功能，初步实现了含有塑性应变梯度的数值计算。模拟了岩石材料与刀具接触的开始阶段，计算结果显示，岩石介质表现出明显的尺度效应。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.2岩土力学的发展及现状

1.2.1岩石力学理论研究进展

1.2.2岩石力学数值模拟、计算方法研究进展

1.3岩石中的应变塑性梯度效应

1.4应变梯度塑性理论的发展及内容

1.4.1应变梯度塑性偶应力理论(CS理论)

1.4.2拉伸和旋转应变梯度理论(SG理论)

1.4.3基于位错机制的应变梯度塑性理论

1.5本文的主要研究内容和工作

第二章基于位错机制的应变梯度塑性理论简述

2.1基于位错机制的应变梯度塑性理论

2.2平衡方程和边界条件

2.3 MSG理论的特点与应用

第三章MSG理论在岩石介质中的应用

3.1岩石的屈服模型和准则

3.1.1岩石材料的屈服特性

3.1.2 Coulomb-Mohr屈服准则

3.1.3 Drucker-Prager屈服准则

3.1.4与Drucker-Prager屈服准则相关联的流动法则

3.1.5 Taylor位错模型

3.2岩石在塑性情况下MSG流动理论的本构关系

3.2.1微尺度分析

3.2.2微观变量的零阶平均

3.2.3微观变量的一阶平均

3.2.4本构关系和平衡方程

第四章塑性应交梯度理论的有限元数值模拟

4.1 MSG塑性理论的有限元方案

4.1.1虚功原理

4.1.2岩石介质受压模型选择

4.2 ABAQUS用户自定义单元(UEL)

4.2.1用户自定义单元的基本功能

4.2.2用户自定义单元的定义及调用

4.2.3单元选择及程序流程

4.3数值计算的结果与分析

第五章总结和展望

5.1本文总结

5.2展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢

附录