岩土类材料的损伤本构模型及其在冲击动力学问题中的应用

摘要

岩石、混凝土材料等非均匀和各向异性材料的动态本构和冲击损伤破坏规律的研究，是现阶段冲击动力学领域的重要的科学问题之一。这一科学问题的研究对材料变形损伤破坏的非线性效应、应变率效应的耦合表征提出了新的挑战。 本文首先对岩土材料本构模型的研究概况和进展进行了较为全面、系统的同顾和总结。对现有的主要的冲击载荷下的动态损伤模型进行了较系统的评述和比较，并对当前的研究热点及趋势作了讨论。在此基础上，阐述了解决本课题理论问题的思路和方法。 岩土类材料的重要特征是其静压相关塑性屈服行为，本文在静水压相关的广义热粕塑性本构的理论框架下，从修正Drucker公设和应力空间中的屈服函数出发，以材料本构关系的内变量理论为工具，推导并建立了一般形式的，特别是静水压相关的热塑性和热粘塑性增量型本构关系的普适形式，其所得剑的本构关系可以包含各种内变量硬(软)化行为、应变率硬(软)化行为、损伤软化、温度软化行为以及相互间的耦合作用。所给出的本构关系是以应力屈服面为基础的，具有普适性；对任何动态程序都特别适用和方便，易于嵌入到损伤材料的冲击动力学数值计算程序，具有很强的实用性。考虑到应用的重要性，文中特别给山了若干常用的岩土本构模犁的增量本构关系计算公式和流程。 在较详细地论述了分形、分形维数概念及分形测量方法的基础上，将之与岩土材料损伤破坏所具有的分形特点相联系，尝试性地将分形几何引入到岩土材料损伤定义，详细地推导了岩土材料的拉伸状态下损伤演化方程。其损伤演化方程中，分形维数及其与损伤能量耗散率的关系的引入，不仅解决了损伤的确定问题，减少了损伤模型中的所涉及的岩土特性参数，而且新构造的分形损伤模型可计及岩土的天然损伤影响和应力波传播过程中引起的裂纹扩展效应新进展。 以岩土损伤分形本构模拟的研究成果为基础，由岩石损伤分形维数和能量耗散率之间的关系，建立了拉压两种不同状态下的损伤演化方程，并以等效模量理论为基础建立了岩土材料含损伤的动态本构关系：利用本文所建立的含损伤本构模型，采用有限差分方法对砂岩冲击载荷喜爱一维应变波传播问题进行了数值模拟，得到了应力波传播过程中，应力、分形维数、裂纹密度及损伤等量得演化规律，其结果对工程应用有指导意义。 弹体对岩石、混凝土等岩土类材料侵彻问题是涉及冲击损伤破坏的另一类问题，这是防护工程的基本问题之一。本文针对弹体对岩石材料侵彻深度问题，将量纲分析方法和神经网络理论相结合，建立了弹的长径比lp/d、弹体形状系数ψ、弹体与岩土的比δyt/δyp强度、弹体与岩十材料的密度比ρp/ρt等神经网络输入量与弹体侵彻深度h网络输出量之间的非线性映射关系。在非线性映射关系基础上，由神经网络理论建立了弹体侵彻岩土材料的神经网络模型;并分别采用改进BP及RBF网络模型，通过对岩石、混凝土类材料的文献资料试验数据的整理，得到了对网络模型进行训练的样本及检测样本；通过对网络模型的训练，获得了弹体对混凝土、花岗岩等材料侵彻深度的满意输出结果。目前将人工神经网络引入弹体侵彻岩土材料深度的这一方面的研究工作及文献资料及研究成果尚不多见。 本文的研究工作对岩土材料应力波作用下的损伤、裂纹密度及分形维数的变化发展特性，以及基于人工神经网络的弹体侵彻岩土材料深度模型研究都具有重要的理论价值和工程实际意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

第一章绪论

§1.1引言

§1.2岩土本构模型的发展历史和研究概况

§1.3岩土屈服强度理论研究及发展概况

§1.4岩土材料冲击载荷下模型研究概况

§1.5人工神经网络在岩土冲击载荷作用下的应用研究

§1.6本文的研究目标和主要研究工作

第二章岩土材料热粘塑性本构模型研究

§2.1"半径回归法"本构算法

§2.2修正的Drucker公设和普适塑性本构关系

§2.3含损伤热粘塑性本构的一般形式

§2.4静压相关的含损伤热塑性及热粘塑性本构

§2.5损伤和温升计算

§2.6岩土材料本构严格增量算法

§2.7几种典型的含损伤本构的常用具体形式

§2.8本章小结

第三章岩土分形损伤演化方程和破坏规律研究

§3.1分形几何和分形维数

§3.2分形维数的测定方法

§3.3岩石中裂纹及其发展的分形研究

§3.4岩石冲击载荷下分形损伤模型研究

§3.5本章小结

第四章岩土介质冲击载荷下的数值计算

§4.1冲击动力学数值计算方法简介

§4.2岩土介质冲击载荷下的一维应变数值模型

§4.3数值结果分析

§4.4本章小结

第五章神经网络在弹体侵彻岩土材料中的应用研究

§5.1量纲分析

§5.2弹体侵彻岩石深度的改进BP神经网络模型

§5.3改进BP网络侵彻模型算例

§5.4弹体侵彻岩石深度的RBF神经网络模型

§5.5弹体侵彻岩土深度的RBF神经网络模型算例

§5.6本章小结

第六章全文总结及展望

§6.1全文总结

§6.2未来工作的展望

参考文献

附：攻读博士学位期间发表的学术论文