硬化土模型
關注創建者：CAEer吳皓 創建時間：2023-11-16
硬化土模型的視頻教程
Abaqus材料模型-非線性隨動硬化kinematic hardening
一、隨動硬化——內容介紹 二、隨動硬化——理論知識 三、隨動硬化——測試及數據擬合 四、隨動硬化——仿真案例解析 作者已發布的系列視頻如下（可在作者主頁查看）： 一、ABAQUS材料模型系列 ① Abaqus材料模型-各向同性硬化彈塑性本構 ② Abaqus材料模型-hyperfoam超彈泡棉 ③ Abaqus材料模型-隨動硬化kinematic hardening 二、Hypermesh-Abaqus
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硬化土模型的實例教程
摘 要：硬化土模型在描述軟土和較硬土的變形特性上有較好的表現，文章結合有限元軟件ABAQUS中的UMAT二次開發平臺，編寫了硬化土本構模型子程序，提高了硬化土模型的泛用性，并提出了通過NewtonRapson迭代、Runge-Kutta迭代等數值方法求解任意應變增量對應的應力增量，最后通過室內三軸壓縮試驗數據驗證了程序的正確性和合理性。
關鍵詞：硬化土模型;應力更新算法;ABAQUS;二次開發;
隨著現代巖土工程的發展，工程建設中遇到的問題逐漸從簡單的穩定性分析轉變為較精細的變形分析，能否精準地進行變形分析通常取決于計算使用的本構模型[1]。由于巖土體復雜，盡管目前已提出了上百種本構模型，但大多數模型僅能反映特定土體在特定情況下的力學行為，因此存在一定的局限性。巖土工程常用的Mohr-Coulomb模型和Drucker-Prager模型為理想彈塑性本構模型，MCC模型為硬化彈塑性模型，難以同時反映土體的剪切硬化和壓縮硬化，采用Mohr-Coulomb強度理論作為屈服準則，從Vermeer雙硬化模型發展而來的硬化土（HS）本構模型[2]作為一種雙屈服面硬化彈塑性本構模型，在描述軟土和較硬土的變形特性上有較好的表現[3]。
目前，除了PLAXIS、ZSoil等少數有限元軟件已嵌入HS模型，其他軟件使用該本構仍需自行開發編寫相關程序。ABAQUS軟件在求解巖土等非線性問題上有突出的優勢，有能為用戶提供編寫自定義本構模型的二次開發平臺。徐遠杰等[4]將Duncan-Chang本構模型成功編成了UMAT子程序，岑威鈞和朱岳明[5]推導了平面應變條件下UMAT子程序所需的彈塑性剛度矩陣，為后續學者開發UMAT子程序提供了支撐，使許多本構模型被廣泛應用于巖土工程數值模擬中。因此，為有效地擴展HS模型的應用范圍，可選用ABAQUS作為HS模型的開發平臺。
展開 <p>硬化土模型(Hardening Soil) 因其實用性以及計算準確性受到巖土工程數值模擬的廣泛關注。然其理論并未完全公開。經筆者多年研究，提出并在ABAQUS的UMAT中編譯了一種新的本構模型，與硬化土模型有相同的理論基礎，相同的模型參數，結果亦與硬化土模型差距極小。以下圖中模型為例：</p><p><br></p><div contenteditable="false" width="100%">
<figure class="figure-image" data-img="https://img.jishulink.com/202408/attachment/917fdc5fcbb14abb942b0692e9bcddb3.png" style="text-align: center">
<img src="https://img.jishulink.com/202408/attachment/917fdc5fcbb14abb942b0692e9bcddb3.png" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/202408/attachment/917fdc5fcbb14abb942b0692e9bcddb3.png?image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/202408/attachment/917fdc5fcbb14abb942b0692e9bcddb3.png?
展開 <p class="ql-align-justify">本資源包含一份 PDF 文檔和可直接編譯運行的 Fortran UMAT 代碼，具體內容為：</p><p class="ql-align-justify">非線性等向硬化本構模型（Voce硬化模型） + 隱式積分 + 徑向返回</p><p class="ql-align-justify">完整公式推導 + Fortran 源碼直接編譯</p><p class="ql-align-justify">完整的算法一致切線模量推導與實現</p><p class="ql-align-justify">PDF 包含規范化的本構方程、隱式積分、徑向返回與一致切線模量推導，可供初學者學習。配套 UMAT 代碼可直接在 ABAQUS 編譯運行，采用全隱式積分搭配一致切線模量，收斂速度極快、計算精度極高，適合初學者快速入門。</p><p class="ql-align-justify">下圖展示了部分PDF內容，及umat計算結果與abaqus內置模型對比，可以發現umat收斂速度極快，與abaqus內置模型幾乎一致。
展開 <p>本資源包含一份 PDF 文檔和可直接編譯運行的 Fortran UMAT 代碼，具體內容為：</p><p>Chaboche硬化本構模型 + 隱式積分 + 徑向返回</p><p>完整公式推導 + Fortran 源碼直接編譯</p><p>任意個數背應力分量 + 解析一致切線模量</p><p>PDF 包含規范化的本構方程、隱式積分、徑向返回與一致切線模量推導，可供初學者學習。配套 UMAT 代碼可直接在 ABAQUS 編譯運行，采用全隱式積分搭配一致切線模量，收斂速度極快、計算精度極高，適合初學者快速入門。</p><p>下圖展示了部分PDF內容，及umat計算結果與abaqus內置模型對比，可以發現umat收斂速度極快，與abaqus內置模型幾乎一致。
展開 Abaqus在非線性階段看做不同硬化模型，分別提供了Isotropic（各項同性）、Kinematic（隨動強化）、Johnson-Cook（與應變率，溫度相關）、Combined
有些材料具有包辛格效應，即強化性質隨著塑性變形的增加，屈服極限在一個方向上的提高而在相反方向降低，如果涉及到材料在塑性階段的反復加卸載，就要使用kinematic hardening。
isotropic hardening的yield surface在空間上各個方向的擴大程度都是相同的，而kinematic hardening 的yield surface在空間上只發生移動而大小不變。
包辛格效應：
在材料塑性加工過程中正向加載引起的塑性應變導致材料在隨后的反向加載過程中出現塑性應變軟化(屈服極限減少)的現象。這一現象是包辛格于1886年在金屬材料的力學性能實驗中發現的。當金屬材料先拉伸至塑性變形階段后卸載至零，再反向加載，即進行壓縮變形時，材料的受壓屈服極限比材料未經拉伸至塑性變形而直接進行壓縮的屈服極限明顯要小。若先進行壓縮使材料發生塑性變形，卸載至零后再拉伸時，材料的屈服極限同樣會減少。簡單概括為：一個方向的強化會導致另一個方向的弱化。
兩種應變硬化模型的特點：
隨動硬化模型(Kinematic hardening)假設彈性范圍（初始屈服應力的兩倍）保持不變。彈性范圍的中心沿著虛線穿過原點，平行于應變硬化線。因此，線段b–e和f–g長度都相等，并且是o–a長度的兩倍。這種特性符合包辛格效應。在各向同性硬化模型(Isotropic hardening)中，假定材料因拉伸后屈服應力增加，而壓縮時的屈服應力同樣增加，即反向加載的屈服應力大小等于先前屈服應力的大小。也就是說，b點和e點的應力大小相同。因此，在該模型中，彈性范圍增大。
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硬化土模型的最新內容
<p>本資源包含一份 PDF 文檔和可直接編譯運行的 Fortran UMAT 代碼，具體內容為：</p><p>Chaboche硬化本構模型 + 隱式積分 + 徑向返回</p><p>完整公式推導 + Fortran 源碼直接編譯</p><p>任意個數背應力分量 + 解析一致切線模量</p><p>PDF 包含規范化的本構方程、隱式積分、徑向返回與一致切線模量推導，可供初學者學習。配套 UMAT 代碼可直接在
<p class="ql-align-justify">本資源包含一份 PDF 文檔和可直接編譯運行的 Fortran UMAT 代碼，具體內容為：</p><p class="ql-align-justify">非線性等向硬化本構模型（Voce硬化模型） + 隱式積分 + 徑向返回</p><p class="ql-align-justify">完整公式推導 + Fortran 源碼直接編譯</p><
<p>因為要仿真混凝土破壞實驗，考慮用abaqus里面的CDP模型，查閱了相關資料進行了理論總結，并根據理論編寫計算程序。</p><p>ABAQUS中CDP 模型中采用的是混凝土在單軸受力狀態下的應力和非彈性應變，非彈性應變根據混凝土的單軸應力-應變曲線換算。</p><p>根據GB50010-2010混凝土結構設計規范，混凝土單軸應力應變關系如圖：</p><p><img src="https://img.jishulink.com
本案例通過COMSOL建立二維混凝土細觀微裂紋模型，模型可進行吸水及離子擴散等方面的研究。幾何模型包括水泥砂漿、粗骨料、砂漿骨料界面過渡區（ITZ）及隨機分布于水泥砂漿內的微裂紋毛細管網四部分，旨在探究通過多插件聯合創建復雜模型的可行性。
多邊形骨料混凝土細觀模型通過CAD隨機多邊形插件2D專業版參數化建模生成。
混凝土的宏觀力學性能主要受其細觀結構控制，其中骨料與水泥基體間的界面過渡區（ITZ）作為薄弱相，顯著影響材料的力學行為與耐久性。本文基于COMSOL Multiphysics有限元軟件，構建含ITZ的多面體骨料密堆積三維細觀模型，有效表征混凝土的非均質特性，準確反映骨料形態、分布及界面行為對整體性能的影響機制，為揭示混凝土損傷演化規律、優化配合比設計及提升結構耐久性提供理論支撐。
混凝土細觀結構對其宏觀力學性能具有決定性影響。界面過渡區（ITZ）作為骨料與水泥基體間的薄弱相，顯著影響混凝土的力學行為與耐久性。基于ANSYS軟件構建含界面過渡區的多面體骨料密堆積3D模型，可有效表征混凝土細觀非均質特性，精確模擬骨料形態、分布及界面行為對材料性能的影響機制。該研究為揭示混凝土損傷演化規律提供理論支撐，對優化配合比設計、提升結構耐久性具有重要學術價值與工程應用前景。
上篇文章介紹了基于圖像進行混凝土細觀模型的幾何重構法，詳細步驟可查看下面的連接。
ABAQUS二維混凝土細觀模型的數字化重建技術(一)幾何重構
https://www.yqgqt.org.cn/post/1990726
本篇介紹二維混凝土細觀模型在ABAQUS
在基于ABAQUS開展混凝土細觀力學模擬時，數字化重建技術是構建能夠真實反映混凝土內部多相結構（如骨料、砂漿、界面過渡區ITZ及孔隙等）的關鍵前置步驟。混凝土細觀模型研究中主流的數字化重建方法主要分為以下兩類：一是幾何重構法，從CT或照片圖像中提取真實骨料輪廓，通過AutoCAD等軟件重建混凝土骨料、ITZ幾何模型，再導入ABAQUS進行網格劃分；二是圖像映射法，將混凝土高分辨率掃描圖像通過預處理將不同材料進行顏色區分后
混凝土細觀結構對其宏觀力學性能具有決定性影響。界面過渡區（ITZ）作為骨料與水泥基體間的薄弱相，顯著影響混凝土的力學行為與耐久性。在ABAQUS中構建含界面過渡區的多面體骨料密堆積3D模型，能夠真實反映混凝土細觀非均質特性，精確模擬骨料形態、分布及界面行為對材料性能的影響機制。該研究為揭示混凝土損傷演化規律提供理論支撐，對優化配合比設計、提升結構耐久性具有重要學術價值與工程應用前景。
混凝土細觀模型在有限元分析中突破傳統均質假設，通過精確模擬骨料、水泥漿體及界面過渡區的多相結構，精準預測微裂縫萌生、擴展與貫通過程。它顯著提升數值模擬精度，揭示損傷演化機制，為混凝土性能預測、結構優化設計提供科學依據，實現微觀結構到宏觀性能的精準關聯，有效支撐混凝土工程的可靠評估與創新設計。本案例介紹在COMSOL內建立包含骨料、砂漿、ITZ在內的多組分混凝土細觀有限元二維模型。
