›› 2015, Vol. 36 ›› Issue (2): 393-402.doi: 10.16285/j.rsm.2015.02.014

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

岩石应变软化本构模型建立及NR-AL法求解研究

王军祥1, 2,姜谙男1, 2   

  1. 1.大连海事大学 道路与桥梁工程研究所,辽宁 大连 116026;2.大连海事大学 辽宁省公路工程重点实验室,辽宁 大连 116026
  • 收稿日期:2013-10-28 出版日期:2015-02-11 发布日期:2018-06-13
  • 通讯作者: 姜谙男,男,1971年生,博士,教授,主要从事岩土工程稳定性分析和多场耦合方面的研究工作。E-mail: jiangannan@163.com E-mail:w.j.xgood@163.com
  • 作者简介:王军祥,男,1985年生,博士研究生,主要从事岩石多场耦合机理及数值模拟方面的研究工作。
  • 基金资助:

    国家自然科学基金项目(No. 51079010);中央高校基本科研业务费专项资金项目(No.2013YB03,No.3132013315);大连市交通科技项目(No. 2011-10);吉林省交通厅交通运输科技项目(No. 2012-1-6)。

Establishing strain softening constitutive model of rock and solution of NR-AL method

WANG Jun-xiang1, 2, JIANG An-nan1, 2   

  1. 1. Institute of Road and Bridge Engineering, Dalian Maritime University, Dalian, Liaoning 116026, China; 2. State Key Laboratory of Highway Engineering of Liaoning Province, Dalian Maritime University, Dalian, Liaoning 116026, China
  • Received:2013-10-28 Online:2015-02-11 Published:2018-06-13

摘要: 针对岩土工程材料应变软化问题及有限元对其数值计算时切线刚度矩阵负定造成求解困难的问题进行研究。建立了基于Drucker-Prager(D-P)强度准则的岩石弹塑性应变软化本构模型,本构积分算法采用一种完全隐式返回映射算法,它具有无条件稳定和精确的特点,详细论述了如何进行本构模型的程序化求解;考虑弧长法在判断切线刚度矩阵正定性导致效率低的缺点,在弹塑性增量有限元方程的迭代计算中尝试采用Newton-Raphson法和arc-length法(NR-AL法)联合迭代求解的思路,即在结构未达到极限荷载前采用NR迭代法,而当结构接近极限荷载时转换为AL法控制迭代,从而使结构越过峰值点进入软化区直至破坏,NR-AL法汲取了2者迭代求解中具有的优势;利用C++语言对所建应变软化模型的本构求解和弹塑性增量有限元方程迭代求解过程给予程序实现,应用所编程序进行数值计算,分析了D-P理想弹塑性模型、应变软化模型、应变硬化模型计算的应力-应变曲线的区别,同时将应变软化模型计算结果与试验数据进行了对比。研究结果表明:所建应变软化本构模型可以较好地模拟岩石材料的峰后软化特性,能够揭示峰后应变软化特性和破坏机制,同时NR-AL法能够求解由于应变软化造成的负刚度问题,也克服了单独使用弧长法时判断切线刚度矩阵正定性效率低的缺点。

关键词: 应变软化, 本构模型, 隐式返回映射算法, Newton-Raphson法, arc-length法, 程序编制

Abstract: Strain softening problem in geotechnical engineering and the difficult solution problem of the finite element numerical calculation due to the negative tangent stiffness of strain softening model are studied. An elastoplastic strain softening constitutive model of rock is established based on the Drucker-Prager strength criteria. A fully implicit return mapping algorithm which has characteristics of the unconditional stability and precision is used to solve the constitutive equation, and how the programmed constitutive model to be solved is discussed in detail. Then, the shortcomings of low efficiency of the arc-length method in judging stiffness matrix is considered, Newton-Raphson scheme and arc-length method (NR-AL method) are combined to iteratively solve the calculation of elastoplastic incremental finite element equations. Namely Newton-Raphson scheme is used before the structure reaching the limit load, and when the structure is close to the limit load, turning to the arc-length method, so that the structure can go over the peak point into the softening phase until destruction. NR-AL method has the advantages in the iterative solution. A program of the built strain softening model and elastoplastic incremental finite element to solve the constitutive equation for the iterative process is compiled using C++ language. The program is applied to numerical calculation, and the stress-strain curves of the idealized elastoplastic model, strain softening and strain hardening model based on the Drucker-Prager strength criteria are comparatively analyzed. The results show that the strain softening constitutive model can simulate the characteristics the post-peak softening of rock material well, and it can reveal the features of the post-peak strain softening and failure mechanism. NR-AL method can solve the negative stiffness problem caused by strain softening and also overcome the shortcomings of low efficiency in judging stiffness matrix using the arc-length only.

Key words: strain softening, constitutive model, fully implicit return mapping algorithm, Newton-Raphson scheme, arc-length method, programming

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[1] 程昊, 唐辉明, 吴琼, 雷国平. 一种考虑水力滞回效应的非饱和土弹塑性扩展 剑桥本构模型显式算法有限元实现[J]. 岩土力学, 2020, 41(2): 676-686.
[2] 金青, 王艺霖, 崔新壮, 王成军 , 张珂, 刘正银, . 拉拔作用下土工合成材料在风化料-废弃轮胎 橡胶颗粒轻质土中的变形行为研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(2): 408-418.
[3] 邓子千, 陈嘉帅, 王建伟, 刘小文, . 基于SFG模型的统一屈服面本构模型与试验研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(2): 527-534.
[4] 李潇旋, 李涛, 彭丽云, . 控制吸力循环荷载下非饱和黏性土 的弹塑性双面模型[J]. 岩土力学, 2020, 41(2): 552-560.
[5] 何鹏飞, 马巍, 穆彦虎, 黄永庭, 董建华, . 黄土−砂浆块界面剪切特性试验及本构模型研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(S1): 82-90.
[6] 王伟, 陈国庆, 郑水全, 张广泽, 王栋, . 考虑张拉-剪切渐进破坏的边坡矢量和法研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(S1): 468-476.
[7] 刘斯宏, 沈超敏, 毛航宇, 孙 屹. 堆石料状态相关弹塑性本构模型[J]. 岩土力学, 2019, 40(8): 2891-2898.
[8] 张超, 杨期君, 曹文贵. 考虑峰值后区应力跌落速率的 脆岩损伤本构模型研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(8): 3099-3106.
[9] 张凌凯, 王睿, 张建民, 唐新军, . 考虑颗粒破碎效应的堆石料静动力本构模型[J]. 岩土力学, 2019, 40(7): 2547-2554.
[10] 金俊超, 佘成学, 尚朋阳. 基于应变软化指标的岩石非线性蠕变模型[J]. 岩土力学, 2019, 40(6): 2239-2246.
[11] 汪俊敏, 熊勇林, 杨骐莱, 桑琴扬, 黄强. 不饱和土动弹塑性本构模型研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(6): 2323-2331.
[12] 汪 杰, 宋卫东, 谭玉叶, 付建新, 曹 帅, . 水平分层胶结充填体损伤本构模型及强度准则[J]. 岩土力学, 2019, 40(5): 1731-1739.
[13] 孙逸飞, 陈 成, . 无状态变量的状态依赖剪胀方程及其本构模型[J]. 岩土力学, 2019, 40(5): 1813-1822.
[14] 徐 鹏, 蒋关鲁, 雷 涛, 刘 琪, 王智猛, 刘 勇, . 考虑填土强度的加筋土挡墙动位移计算[J]. 岩土力学, 2019, 40(5): 1841-1846.
[15] 杨骐莱, 熊勇林, 张 升, 刘干斌, 郑荣跃, 张 锋, . 考虑温度影响的软岩弹塑性本构模型[J]. 岩土力学, 2019, 40(5): 1898-1906.
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[1] 刘玉成,曹树刚,刘延保. 可描述地表沉陷动态过程的时间函数模型探讨[J]. , 2010, 31(3): 925 -931 .
[2] 刘恩龙. 岩土破损力学:结构块破损机制与二元介质模型[J]. , 2010, 31(S1): 13 -22 .
[3] 介玉新,杨光华. 基于广义位势理论的弹塑性模型的修正方法[J]. , 2010, 31(S2): 38 -42 .
[4] 杨建民,郑 刚. 基坑降水中渗流破坏归类及抗突涌验算公式评价[J]. , 2009, 30(1): 261 -264 .
[5] 周 华,王国进,傅少君,邹丽春,陈胜宏. 小湾拱坝坝基开挖卸荷松弛效应的有限元分析[J]. , 2009, 30(4): 1175 -1180 .
[6] 叶 飞,朱合华,何 川. 盾构隧道壁后注浆扩散模式及对管片的压力分析[J]. , 2009, 30(5): 1307 -1312 .
[7] 陈 林,张永兴,冉可新. 考虑剪应力作用的挡土墙主动土压力计算[J]. , 2009, 30(S2): 219 -223 .
[8] 罗 强 ,王忠涛 ,栾茂田 ,杨蕴明 ,陈培震. 非共轴本构模型在地基承载力数值计算中若干影响因素的探讨[J]. , 2011, 32(S1): 732 -0737 .
[9] 石 崇 ,徐卫亚 ,张 玉 ,李德亮 ,刘 和. 基于元胞自动机模型的堆积体动力学参数研究[J]. , 2011, 32(6): 1795 -1800 .
[10] 王云岗 ,章 光 ,胡 琦. 斜桩基础受力特性研究[J]. , 2011, 32(7): 2184 -2190 .