應變軟化模擬的案例
應變軟化模型(Strain-Softening and IMASS)
1 引言
如前所述，Mohr-Coulomb模型是最簡單的塑性模型[壓縮試驗模擬考慮的幾個問題(本構模型和NMD算法)]，不過，Mohr-Coulomb模型有兩個缺點：第一個缺點是不能顯示應力峰值后的殘余應力，第二個缺點是不能直接計算塑性應變。而采礦巖石力學需要考慮巖石破壞后的材料響應行為，典型的場景包括礦柱的屈服，自然崩落法以及充填采礦法，在這些場景中，當巖體加載到其峰值強度后，隨著應變的增加，強度在峰值后降低到一定水平的殘余應力，這個過程稱之為應變-軟化(Strain-Softening)。
2 應變軟化模型
應變軟化模型同時假定由于粘結力減少引起的脆性軟化以及由于內摩擦角減少的漸進軟化，通過table-cohesion和table-friction來表征這種軟化過程。在真實的工程模擬中，需要根據試樣試驗標定和校準這些數值。應變軟化模型實際上是Mohr-Coulomb的擴展，當table中的數據取得足夠大時，應變軟化模型就退化為Mohr-Coulomb模型。
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為此，數值模擬技術逐漸成為研究單樁動力學行為的有力工具。
內容
本案例介紹一種基于 CEL（Coupled Eulerian–Lagrangian）方法 的單樁貫入模擬思路。CEL法通過在樁體采用Lagrangian網格、土體采用Eulerian描述的方式，能夠自然處理大變形問題，避免了純Lagrangian網格嚴重畸變的困境。這種方法特別適合樁土相互作用、沖擊載荷和復雜邊界問題的研究。
在模型構建中，除考慮土體強度隨埋深的變化外，還引入了 應變軟化 與 應變率效應 兩個關鍵因素。應變軟化反映了土體在達到峰值強度后強度逐漸降低的特性，對預測貫入阻力和樁周土體擾動范圍具有重要意義。而應變率效應則考慮了土體在高速加載下強度和剛度隨加載速率的增加而提高的規律。這兩者在樁貫入問題中往往是同時存在的：軟化決定了樁入土后的長期穩定性，速率效應則主導了瞬時的動力響應。
通過研究，可以得到以下幾點主要認識：
軟化效應：若忽略，可能會高估貫入阻力，導致溜樁等事故發生。
速率效應：對貫入速度較大的情況，土體等效強度提升明顯，使樁貫入力顯著增大；但該效應在慢速貫入下相對有限。
相比傳統有限元方法，CEL模擬不僅能捕捉樁端土體的流動與回填現象，還能清晰展現樁周土體擾動區的形成與演化。提供了一個更接近實際工況的分析工具。
應用領域
樁體、軟土貫入儀器貫入過程等軟土大變形領域
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<p><strong>【注意】考慮到后臺咨詢較多，最新帖子更新了子程序與CEL建模的講解視頻，請大家按需購買</strong></p><p><a href="https://www.yqgqt.org.cn/post/1983546" rel="noopener noreferrer" target="_blank">基于CEL法的單樁基礎貫入過程模擬：考慮應變軟化與應變率效應_abaqus cel實例 ABAQUS二次開發-技術鄰</a></p><p>在abaqus軟件中基于<a href="https://www.yqgqt.org.cn/service/abaqus_cel" rel="noopener noreferrer" target="_blank">CEL</a>法的分層地基單樁基礎貫入過程模擬，通過編寫VUSDFLD子程序考慮了軟土的應變軟化效應與應變率效應。</p><p>以某海上風機項目為背景，為節約計算資源，建立了1/8模型。</p><p>附件包含CAE模型、應變軟化與應變率效應子程序，以及包含CEL法的建模、材料屬性設置、接觸關系設置等的資料以及一個演示視頻。
展開 Abaqus通過USDFLD子程序進行泥巖的應變軟化模擬
本文基于泥巖的三軸壓縮試驗曲線，建立考慮應變軟化特性的泥巖彈塑性本構模型，使用Abaqus及其子程序對泥巖的三軸壓縮試驗進行了數值模擬。泥巖在受壓過程中主要經過了5個階段，即壓密階段、彈性變 形、應變硬化、應變軟化、殘余階段。泥巖應變軟化模型如下所示。
式中，ξ為強度參數，ξp為峰值強度參數，ξr為殘余階段強度參數，η為應變軟化參數，η*為殘余階段的應變軟化參數初始值。對于三軸壓縮試驗，η用塑性剪切應變來表示
塑性屈服準則采用Mohr-Coulomb準則，則粘聚力和內摩擦角的參數演化可以用下式表示
在巖石的塑性變形過程中會產生比較明顯的剪脹現象，而用來描述這一現象的較常用的力學參數就是剪脹角 Ψ，
上述模型可以通過USDFLD子程序進行實現，流程圖如下
有限元模型如下圖所示
計算得到的應力云圖及不同圍壓下的載荷位移響應如下所示
參考文獻：張力偉,賈善坡,鄒江濤,舒婧曦.泥巖的峰后軟化力學模型.中國科技論文,2016,11(21):2456-2461
有關于abaqus子程序開發的相關問題可以通過公眾號聯系我們.
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Abaqus通過USDFLD子程序進行泥巖的應變軟化模擬
本文基于泥巖的三軸壓縮試驗曲線，建立考慮應變軟化特性的泥巖彈塑性本構模型，使用Abaqus及其子程序對泥巖的三軸壓縮試驗進行了數值模擬。泥巖在受壓過程中主要經過了5個階段，即壓密階段、彈性變 形、應變硬化、應變軟化、殘余階段。泥巖應變軟化模型如下所示。
式中，ξ為強度參數，ξp為峰值強度參數，ξr為殘余階段強度參數，η為應變軟化參數，η*為殘余階段的應變軟化參數初始值。對于三軸壓縮試驗，η用塑性剪切應變來表示
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參考文獻：張力偉,賈善坡,鄒江濤,舒婧曦.泥巖的峰后軟化力學模型.中國科技論文,2016,11(21):2456-2461
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展開 應變軟化模型IMASS邊坡穩定性分析
在IMASS中，由于考慮了巖體峰值和后峰值強度包絡線，因此可以模擬巖體發生塑性變形時在這些包絡線之間的應變軟化，這就消除了根據主觀的D因子來預定義坡面的破壞程度。
abaqus子程序VUSDFLD——考慮應變率與應變軟化效應的軟土模型 ￥25
<p><strong>【注意】本貼子只包含子程序文件</strong></p><p>基于<a href="https://www.yqgqt.org.cn/qa/6302" rel="noopener noreferrer" target="_blank">abaqus子程序</a>VUSDFLD編寫的由Einav與Randolph提出的西澳模型，用于求解軟黏土體劇烈變形后的強度變化，可應用于的大變形計算。</p><div contenteditable="false" width="100%"><img src="https://img.jishulink.com/upload/202306/f69f50d42a81489ea1cb5e7a03da5c14.png" title="8$U(VZ82]O{OEMQB}[P(ZMB.png" alt="8$U(VZ82]O{OEMQB}[P(ZMB.png" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202306/f69f50d42a81489ea1cb5e7a03da5c14.png?image_process=/format,webp" data-pc-src="https://img.jishulink.com/upload/202306/f69f50d42a81489ea1cb5e7a03da5c14.png?image_process=/format,webp" data-initial-src="https://img.jishulink.com/upload/202306/f69f50d42a81489ea1cb5e7a03da5c14.png">
</div><p>文獻來源：Combining upper
展開 求解Hoek-Brown應變軟化巖體GRC曲線的matlab代碼包括詳細注釋 ￥15
<p>求解Hoek-Brown應變軟化巖體圍巖特征曲線的matlab源代碼，包含應力、位移和塑性區云圖的繪制，看懂后可隨意更改參數，適應于彈脆性、理想彈塑性和應變軟化巖體各種彈塑性本構模型</p>
如何利用ABAQUS軟件在CAE界面中完成應變軟化子程序的設置？ ￥5
最近在ABAQUS中開展了CEL大變形分析，其中涉及到應變軟化子程序的嵌入，特此將最近的學習心得和各位分享一下，為大家避坑。
此文檔為VUSDFLD子程序如何在CAE中激活的步驟詳解，希望可以為有需要的朋友帶來幫助！如果有不正之處也請大家批評指正（新手小白的瑟瑟發抖）。
發現了一些問題，請查看最新版的文件??！
應變軟化的礦柱穩定性(Pillar Stability with IMASS Model)---寬高比對礦柱強度的影響
本文使用應變軟化模型IMASS檢驗這個試驗得出的結論。
2 模擬步驟
創建一個礦柱模型(zone create brick), 使用IMASS本構模型(model configure imass; zone cmodel assign imass)【應變軟化模型IMASS邊坡穩定性分析】, 然后以準靜態方式在恒定應變速率下進行單軸壓縮(zone face apply velocity-z)，直到達到后峰值行為，監測礦柱頂部的應力應變特征。
[global gps_top = list(gp.list)(gp.isgroup(::gp.list,'Top'))]fish define stress_top return list.sum(gp.force.unbal(::gps_top)->z)/area_pillarend;[global gp_top1 = gp.near(0,0,roof_top)]fish define strain_zz return strain_zz = -100.0*2.0*gp.disp.z(gp_top1)/roof_topend
3 模擬結果
首先假定礦柱的寬高比w:h=1，下圖所示的應力應變曲線顯示了巖體強度的變化過程。
展開 基于摩爾庫侖準則應變軟化巖體的圍巖-支護相互作用程序matlab代碼包括詳細注釋 ￥15
<p>里面包含了圍巖特征曲線、支護特征曲線、圍巖塑性區、位移和應力云圖繪制詳細代碼，看懂后可隨意更改參數，適應于彈脆性、理想彈塑性和應變軟化巖體各種彈塑性本構模型</p>
基于廣義Hoek-Brown應變軟化巖體GRC曲線及圍巖位移應力塑性區繪制的matlab源碼包括詳細 ￥15
<p>基于廣義Hoek-Brown應變軟化巖體GRC曲線及圍巖位移應力塑性區繪制的matlab源碼，圍巖特征曲線、支護特征曲線、圍巖塑性區、位移和應力云圖繪制詳細代碼，看懂后可隨意更改參數，適應于彈脆性、理想彈塑性和應變軟化巖體各種彈塑性本構模型</p>
浙江大學鄭強、宋義虎教授課題組：液體橡膠對炭黑/異戊橡膠納米復合材料應變軟化行為的影響
浙江大學高分子科學與工程學系鄭強、宋義虎教授
課題組，在相同CB含量和相近橡膠交聯密度情況下，LR的引入可延緩LR應變誘導結晶行為，在幾乎不影響單軸拉伸力學行為(圖1)的前提下顯著降低循環拉伸(圖2)力學滯后能(Eh)和滯后能/應變能比(
E
h/
E
，
圖3)，為高補強低滯后性橡膠納米復合材料結構調控與加工技術的開發提供了新思路。
圖1 IR/LR硫化膠納米復合材料單軸拉伸應力-應變關系曲線. Cail編號IR/xLR-yCB-Vz，其中x、y、z分別代表LR/IR比、CB含量(phr)和交聯密度(mol/m3)
圖2 IR/LR硫化膠納米復合材料單軸循環拉伸曲線
圖3
IR/LR硫化膠納米復合材料應變能E (a)，滯后能E
h
(b)，E
h
/E (c)隨預應變的變化
該論文即將于Chinese Journalof Polymer Science出版，侯豐儀博士研究生是第一作者，宋義虎教授為通訊作者。該項工作得到國家自然科學基金(基金號 U1908221,51873190、51873190和51790503)和中央高?？蒲谢?基金號2020XZZX002-08)的資助。
原文鏈接：
http://www.cjps.org./article/doi/10.1007/s10118-021-2550-y?
展開 金屬學報：孿生誘發軟化與強化效應的Cu晶體塑性行為模擬
一方面，在孿生主導塑性條件下，孿晶激活演化過程中應力-應變曲線存在明顯的應力突降現象，即孿生軟化效應；另一方面，孿晶阻礙位錯運動使得晶體材料在塑性變形過程中表現出強化現象。為了能夠精確描述孿晶激活演化及其與位錯交互作用對宏觀塑性行為的影響，來自于天津理工大學的郭祥如和申俊杰兩人基于晶體塑性理論建立描述孿晶形核、增殖和長大的位錯密度基晶體塑性本構模型，揭示了不同晶體取向Cu單晶拉伸變形過程中位錯滑移、孿生激活及其交互作用下的宏觀塑性行為演化規律，進一步分析了Cu多晶拉伸變形過程中晶粒間交互作用對孿生軟化、應變硬化等宏觀塑性行為的影響。
為了應用該模型準確模擬材料的宏觀力學響應，必須確定該模型相關材料參數。作者結合fcc晶體材料滑移系和孿生系的晶體學特征，根據前人對Cu的研究結果，最終得出晶體塑性模型Cu單晶材料參數。建立如圖1所示的Cu單晶CPFE模型。
圖1 Cu單晶拉伸過程的晶體塑性有限元模型示意圖
為了驗證上述CPFE模型的可靠性，圖2給出了Cu單晶沿不同取向拉伸過程的力學響應模擬及實驗結果的對比情況?？梢钥闯觯?em>模擬結果與實驗結果吻合良好。在Cu單晶沿[541]取向加載條件下，其應力-應變曲線分成明顯的3個階段，即滑移階段A、孿生階段B及位錯與孿晶交互作用階段C。為了深入揭示Cu單晶塑性變形過程中各滑移系和孿生系激活演化行為及孿晶對位錯滑移的影響，圖3給出了[541]取向下Cu單晶拉伸變形過程中各滑移系和孿生系激活演化結果。
圖2 Cu單晶沿[541]和[163]取向拉伸變形過程中真應力和孿晶體積分數隨應變演化的模擬與實驗結果
圖3 Cu單晶沿[541]取向拉伸變形過程中各滑移系和孿生系的激活演化結果
為了反映多晶中晶粒的組織形貌及取向特征，基于Voronoi的特征微元重構多晶微結構，如圖4所示。
展開 模擬仿真與DIC應變測量相結合是大勢所驅嗎？
DIC測量總歸是幫助人們獲得位移形變等應變數據，最終目的：1）了解材料性能；2）實時監測測量對象狀態，對突然發生的應變及時進行處理，防患于蔚然；3）通過對測試對象在特定情況下發生的應變的了解，進一步優化仿真設計，提高仿真模擬的精度。
對于前2項，個人感覺，目前的DIC測量產品基本都能很好的實現這一目標；而最好一項，能實現基本目標，但在完成的過程中，受到人工經驗和跨部門溝通等因素影響，效果還可以進一步提高。
真正使用DIC測量設備的第三類用戶，以及目光高遠的一些DIC設備研發機構，都在嘗試不同的方式改進DIC測量設備的各種性能，以便能在提高仿真模擬精度方面能提供更大的助力。有的可以將測量分析結果可以直接導入到仿真模擬軟件，有的將仿真模型文件導入到應變測量系統?？傮w來說都是有一定效果的，也給應用者提供了不同程度的便利。但是由于數據分析的基礎平臺不統一，之前提到的不良因素的影響只是稍稍減弱，治標不治本，不能從根本上解決問題。
十幾年前因為喬澤引進國外全場非接觸式應變測量系統，我被帶入DIC應變測量設備推廣的大軍，感覺能為國內應變測量技術的發展而努力，很自豪；十幾年后，因為喬澤引進了法國EikoSim公司研發的EikoTwin應變測量系統，我又再次回到DIC應變測量相關行業工作，因為EikoTwin帶來了目前行業內最需要測量手段，它的出現必將再次推動DIC應變測量行業的發展，在得以謀生的同時，又能順應大勢所驅，為行業進步盡微薄之力，何其幸甚至哉！
非接觸式應變測量 ，形變測量、光學測量、表面形貌測量，應變實測與模擬仿真驗證相結合，模擬仿真與應變實測同步化
北京喬澤科技有限公司 010-65610249
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