應變軟化的案例
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(nèi)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(jù)試樣試驗標定和校準這些數(shù)值。應變軟化模型實際上是Mohr-Coulomb的擴展，當table中的數(shù)據(jù)取得足夠大時，應變軟化模型就退化為Mohr-Coulomb模型。
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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(fā)-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(jié)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(shù)值模擬。泥巖在受壓過程中主要經(jīng)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(shù)，ξp為峰值強度參數(shù)，ξr為殘余階段強度參數(shù)，η為應變軟化參數(shù)，η*為殘余階段的應變軟化參數(shù)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(nèi)摩擦角的參數(shù)演化可以用下式表示
在巖石的塑性變形過程中會產(chǎn)生比較明顯的剪脹現(xiàn)象，而用來描述這一現(xiàn)象的較常用的力學參數(shù)就是剪脹角 Ψ，
上述模型可以通過USDFLD子程序進行實現(xiàn)，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
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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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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(guī)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(wěn)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(fā)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(tǒng)有限元方法，CEL模擬不僅能捕捉樁端土體的流動與回填現(xiàn)象，還能清晰展現(xiàn)樁周土體擾動區(qū)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>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(qū)云圖的繪制，看懂后可隨意更改參數(shù)，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>
應變軟化的礦柱穩(wěn)定性(Pillar Stability with IMASS Model)---寬高比對礦柱強度的影響
原因是IMASS僅考慮了巖體的軟化特性，沒有考慮其硬化特性。
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(qū)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(qū)繪制的matlab源碼，圍巖特征曲線、支護特征曲線、圍巖塑性區(qū)、位移和應力云圖繪制詳細代碼，看懂后可隨意更改參數(shù)，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>
應變軟化模型IMASS邊坡穩(wěn)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(fā)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(jù)主觀的D因子來預定義坡面的破壞程度。
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(fā)抖）。
發(fā)現(xiàn)了一些問題，請查看最新版的文件！！
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(qū)、位移和應力云圖繪制詳細代碼，看懂后可隨意更改參數(shù)，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>
Plaxis應用于巖石工程問題的本構模型
4 應變軟化
歷史上，巖石應變軟化來自于采礦工程礦柱穩(wěn)定性和自然崩落法礦石破碎的研究【應變軟化模型(Strain-Softening and IMASS)；應變軟化的礦柱穩(wěn)定性(Pillar Stability with IMASS Model)---寬高比對礦柱強度的影響；應變軟化模型IMASS邊坡穩(wěn)定性分析】。Mohr-Coulomb和廣義Hoek-Brown模型依據(jù)的是彈-純塑性方法，只適合于低質(zhì)量(Poor quality)的巖體，參看【巖石三軸壓縮模擬試驗(Triaxial Compression Simulation Test)】，而對于高質(zhì)量(Good quality)的巖體，呈現(xiàn)出明顯的應變軟化狀態(tài)。
Plaxis的Hoek-Brown with Softening (HBS) 模型(hbs64.dll)類似于Itasca的IMMSS模型，但是用了不同的軟化途徑。所謂的強度軟化模型(SSM)是減小mb和s值；而所謂的GSI軟化模型(GSM)是減小GSI值。
5 蠕變模型
蠕變(Creep)是固體固體在低于其屈服應力下的粘性變形。蠕變隨著時間發(fā)展，且蠕變速度與溫度有關，典型的巖石如泥灰?guī)r或巖鹽(rock salt)。蠕變會誘發(fā)支護系統(tǒng)中的力，從而引起巖石應力分布的變化。
在最新版V22中，N2PC-Salt(Norton-based Double Power Creep)模型能夠進行兩種類型的模擬：一種是粘彈性模擬，僅考慮蠕變的長期影響；另一種是帶有Mohr-Coulomb破壞面的粘彈性模型，它能考慮短期影響。此外，在PLAXIS 2D中，N2PC模型還可以考慮蠕變與溫度之間的關系。
6 膨脹模型
一些含有粘土礦物的巖石，如粘土巖、頁巖或泥灰?guī)r在遇水后會發(fā)生膨脹(Swelling)。
展開 使用伺服控制(Servo Control)函數(shù)進行數(shù)值試驗
fish set @high_unbal = 5e4fish set @low_unbal = 2e4fish set @high_vel = 2
伺服控制函數(shù)在UDEC和FLAC中寫起來比較繁瑣，主要原因是這些2D程序還沒有完全轉換到新的FISH格式(FISH: Loop語句的進化; FLAC3D 7.0 新特性簡介(P2)---FISH的顯著改進); FLAC3D和3DEC的伺服控制函數(shù)寫起來很簡單，示例如下:
fish def _servo while_stepping if block.unbal > unbal_limit then vel_ = 0.98*vel_ loop foreach local gp points block.gp.vel.app.z(gp) = vel_ end_loop endif if block.unbal < 0.8*unbal_limit then vel_ = 1.02*vel_ loop foreach gp points block.gp.vel.app.z(gp) = vel_ end_loop endifend
3 應變軟化材料的三軸壓縮試驗
下圖所示的是一個應變軟化材料的三軸壓縮試驗結果。其中左圖顯示的是計算的平均垂直應力sigmav和平均垂直應變ev之間的關系，右圖顯示的是最大不平衡力與時步之間的關系。比較引言中的單軸應力應變曲線，可以發(fā)現(xiàn)在三軸條件下應變軟化的行為更加復雜。
展開 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 樁筏基礎的三維數(shù)值模擬(3D Modeling of Piled Raft Foundation)---Part 1
對于強度[Strength]，首先選擇最常使用的塑性[Material Type = Plastic] Mohr-Coulomb破壞準則，這個準則理論上可以考慮材料的軟化行為，即峰值強度和殘余強度【應變軟化的礦柱穩(wěn)定性(Pillar Stability with IMASS Model)---寬高比對礦柱強度的影響；應變軟化模型(Strain-Softening and IMASS)；應變軟化模型IMASS邊坡穩(wěn)定性分析】。通過設置相同的值可以不考慮材料的軟化：
峰值強度(Peak Strength):
Peak Cohesion = 4 kPa,
Peak Friction Angle = 30°
Peak Tensile Strength = 0 kPa,
殘余強度(Residual Strength):
Residual Cohesion = 4 kPa,
Residual Friction Angle = 30°
Residual Tensile Strength = 0 kPa,
Dilation Angle = 0°
C. 對于剛度[Stiffness]，選擇線性各向同性[Type = Linear Isotropic]，不考慮卸荷條件[Use Unloading Condition = No]。
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