石膏角砾岩非线性流变模型研究及有限元分析

论文摘要

本文通过对石膏角砾岩进行不同围压下的常规三轴压缩试验，单轴以及不同围压下的三轴压缩蠕变试验，研究了石膏角砾岩的瞬时变形及破坏特征，在不同围压及应力水平下的蠕变特征等。研究结果表明，石膏角砾岩流变具有非线性特征。结合偏光显微镜和扫描电子显微镜观测分析，探讨了石膏角砾岩的蠕变机理。 在以上试验的基础上，基于统计损伤理论研究了石膏角砾岩瞬时损伤应力应变本构关系，提出统计损伤应考虑损伤门槛的影响，建立了考虑损伤门槛的统计损伤本构方程，理论计算结果与常规试验结果比较接近。根据石膏角砾岩的蠕变特性，建立了石膏角砾岩的流变组合模型；编写了拟牛顿法拟合程序，对流变模型参数进行拟合，分析了不同应力水平下模型参数变化的规律。在考虑损伤门槛的统计损伤及石膏角砾岩流变组合模型的基础上，应用应变等效原理，建立了考虑瞬时损伤的流变本构模型，理论计算结果与试验结果吻合较好，表明所提出的损伤流变模型能够描述石膏角砾岩的非线性流变。在Kachanov提出的一维蠕变损伤演化方程的基础上，建立了同时考虑瞬时损伤和蠕变损伤的流变本构模型，理论值与试验值基本一致，验证了提出的蠕变损伤演化方程是正确的，所建的损伤流变模型能够较好地描述石膏角砾岩的加速蠕变阶段。 基于人工神经网络在模拟非线性方面所具有的优势，用神经网络对石膏角砾岩的非线性流变特性进行尝试性研究。建立了分别加载下岩石流变的神经网络模型；以西原模型作为考题，验证了神经网络流变模型在描述岩石流变行为方面是可行并有效的。提出了“分段外推”的思想来提高神经网络模型对时间的外推性，同时，为了增加每段外推的稳定性，提出了“初次训练”的方法；以考题为例，验证了所提方法的优越性。对石膏角砾岩的非线性流变进行了模拟，结果显示神经网络流变模型拟合精度较高。 结合有限元法的基本原理，分析了粘弹塑性损伤流变模型和神经网络流变模型的粘性应变计算方法以及相应的有限元求解过程；采用ANSYS进行前处理，利用APDL语言提取计算所需的相关信息，用MATLAB编制了粘弹塑性损伤流变模型及神经网络流变模型的平面应变有限元计算程序。利用编制的程序对石膏角砾岩蠕变试验进行了有限元分析，有限元计算结果与蠕变试验结果吻合的较好，表明采用损伤理论和神经网络理论研究岩石的非线性流变是可行有效的，可应用于实际。

论文目录

• 论文独创性声明
• 论文知识产权权属声明
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 岩石流变研究现状
• 1.2.1 岩石流变特性试验研究
• 1.2.2 岩石流变的本构模型研究
• 1.2.3 岩石流变模型的辨识研究
• 1.2.4 工程应用研究
• 1.3 本文研究问题及意义
• 1.4 本文研究内容
• 2 岩石流变的理论基础
• 2.1 岩石的流变特性
• 2.1.1 岩石蠕变特性
• 2.1.2 应力松弛特性
• 2.1.3 长期强度
• 2.2 流变理论概述
• 2.2.1 模型理论
• 2.2.2 经验模型
• 2.2.3 屈服面理论
• 2.2.4 内时理论
• 2.3 流变本构关系
• 2.3.1 元件模型与微分型本构关系
• 2.3.2 Boltzmann叠加原理与积分型本构关系
• 2.3.3 三维本构关系
• 2.4 线性流变与非线性流变
• 2.4.1 线性流变
• 2.4.2 非线性流变
• 2.4.3 建立非线性流变本构关系的方法
• 2.5 本章小结
• 3 石膏角砾岩流变特性试验研究
• 3.1 常规三轴压缩试验特性分析
• 3.1.1 应力—应变曲线
• 3.1.2 围压对变形与强度的影响
• 3.1.3 强度准则
• 3.2 蠕变特性试验研究
• 3.2.1 试验方法
• 3.2.2 蠕变试验结果
• 3.2.3 试验结果分析
• 3.3 石膏角砾岩蠕变的微细观分析
• 3.4 本章小结
• 4 石膏角砾岩粘弹塑性损伤本构模型研究
• 4.1 统计损伤本构模型研究
• 4.1.1 损伤变量与损伤演化方程
• 4.1.2 统计损伤本构方程
• 4.1.3 模型的试验验证
• 4.2 石膏角砾岩粘弹塑性模型研究
• 4.2.1 粘弹塑性模型
• 4.2.2 不同应力水平下模型参数分析
• 4.3 考虑瞬时损伤的流变本构模型研究
• 4.3.1 粘弹塑性损伤模型
• 4.3.2 粘弹塑性损伤模型的应用
• 4.4 考虑蠕变损伤的流变本构模型研究
• 4.4.1 一维粘弹塑性损伤模型
• 4.4.2 三维粘弹塑性损伤模型
• 4.5 本章小结
• 5 石膏角砾岩流变的神经网络模型
• 5.1 人工神经网络
• 5.1.1 人工神经网络简介
• 5.1.2 BP神经网络
• 5.2 BP神经网络的程序设计
• 5.3 分别加载下岩石流变的神经网络模型及其外推
• 5.3.1 分别加载下岩石流变的神经网络模型
• 5.3.2 岩石流变神经网络模型的外推性
• 5.4 神经网络流变模型的应用
• 5.4.1 石膏角砾岩蠕变的模拟
• 5.4.2 两种模型的评价
• 5.5 本章小结
• 6 石膏角砾岩非线性流变的有限元分析
• 6.1 有限元分析基本理论
• 6.1.1 有限元分析的求解步骤
• 6.1.2 平面八结点四边形等参单元分析
• 6.2 石膏角砾岩非线性流变的有限元分析
• 6.2.1 流变问题有限元分析的初应变法
• 6.2.2 粘弹塑性损伤流变模型的有限元分析
• 6.2.3 神经网络流变模型的有限元分析
• 6.2.4 时间步长的选择
• 6.3 有限元程序开发
• 6.4 石膏角砾岩蠕变试验的有限元分析
• 6.4.1 计算模型及参数选取
• 6.4.2 计算结果分析
• 6.5 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的学术论文
• 致谢