广义塑性力学模型在ABAQUS中的二次开发和工程应用

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多数岩土工程都处于弹塑性状态,因而岩土塑性在岩土工程的设计中至关重要。广义塑性力学抛弃了经典塑性力学采用的3个不符合岩土材料变形机制的假设,从固体力学原理直接导出广义塑性位势理论。它既适用于金属,又适用于岩土材料,能较好的反映岩土材料的变形机制。基于广义塑性力学的“后工”弹塑性模型,采用分量塑性势面与分量屈服面,数学表达简单,概念清楚,且物理与几何意义明确,具有较大的适应性。大型商用有限元程序ABAQUS具有很强的非线性计算能力与前后处理能力,但其采用的本构模型简单且数量有限,制约了ABAQUS在岩土工程中的应用。基于ABAQUS提供的用户子程序接口,把较符合岩土材料变形特性的本构模型作为用户子程序植入到ABAQUS中,丰富其本构模型库,具有重要的理论意义与实用价值。为此,本文在“后工”模型的ABAQUS二次开发方面进行尝试,开展的主要工作有:   (1)对广义塑性力学中的基本理论进行系统而简要的介绍,分析了经典塑性力学与岩土变形机制的矛盾,对广义塑性力学的塑性位势理论、屈服面理论、硬化定律以及应力应变关系进行了深入的剖析。   (2)对ABAQUS的常用功能和它提供的用户子程序接口进行了简要介绍,着重对用户材料子程序UMAT的接口原理,以及ABAQUS主程序调用UMAT子程序的过程等进行了详细的分析。   (3)在给出“后工”特殊性模型基本结构的基础上,推导了编程中需要的数学表达式,采用完全后式向后积分算法对应力进行更新,基于UMAT子程序接口开发了基于广义塑性力学的“后工”弹塑性模型的接口程序,初步实现了“后工”模型的ABAQUS二次开发。   (4)通过对室内单向固结压缩试验的数值分析,计算结果与试验结果具有较好的一致性,说明UMAT子程序开发思路是正确的,初步验证了开发的UMAT子程序的正确性与合理性。   (5)用ABAQUS软件对地基载荷试验问题和一个边坡稳定性问题进行了数值模拟,通过对结果的分析,表明ABAQUS拥有具有很强的非线性计算能力与前后处理能力。
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