基于分数阶微积分的改进西原模型及其参数智能辨识

传统西原模型难以描述岩石的非线性加速流变特性,根据Riemann-Liouville分数阶微积分理论,采用分数阶黏壶及非线性黏塑性体NVPB(nonlinear viscoplastic body)模型,分别取代传统西原模型黏弹性体中的牛顿黏壶及黏塑性体,提出改进的西原模型,并推导出岩石在恒应力情况下的三维蠕变本构方程。模型采用基于流变阶段分解-粒子群-模拟退火算法相结合的智能算法对已有的试验数据进行反演,结果表明该模型能有效地反映岩石3个阶段的蠕变特征。通过对模型的敏感性分析发现,岩石的非线性渐变过程及加速蠕变阶段的快慢程度分别由分数阶导数的阶次及流变指数控制,传统西原模型是改进西原模型的一种特例。     

基于分数阶导数的非定常蠕变本构模型研究

针对锦屏二级水电站深埋长大隧洞围岩在开挖过程中呈现明显的流变劣化特征,基于分数阶微积分理论,用Abel黏壶替换西原模型中的牛顿黏壶,推导出基于分数阶导数的蠕变本构方程,同时考虑岩石在蠕变过程中,尤其是所受应力超过其长期强度时,蠕变参数是非定常的特征,把蠕变参数的非定常性引入本构方程中,建立了基于分数阶导数的非定常蠕变本构模型。结合锦屏二级水电站引水隧洞主要围岩之一的大理岩的室内剪切蠕变试验的结果,对模型中的参数进行反演,结果表明,基于分数阶导数的非定常蠕变本构模型能够在蠕变初期和拐点处与试验结果很好地吻合,并且可以克服西原模型不能反映蠕变第3阶段的不足。通过对模型中参数的敏感性进行分析,得出分数阶阶数、非定常参数对岩石蠕变的影响规律。研究结果表明,提出的基于分数阶导数的非定常蠕变模型能够很好地反映大理岩的蠕变全过程。     

基于分数阶微积分的粗粒料静动力边界面本构模型

分数阶微分理论在土体静力黏弹性本构模型中得到了广泛应用,然而,其在动力弹塑性模型中的应用尚不多见。为此,基于分数阶微积分理论分析了粗粒料在循环荷载下的变形特性,提出了粗粒料在循环荷载下的分数阶应变率;并以此为基础,进一步建立了粗粒料受静动力荷载作用下的边界面塑性力学本构模型。所提出模型包含10个参数,均可以运用常规三轴试验获得。为了验证所提出模型,选取了几种已有不同文献中的不同粗粒料试验数据进行了模拟,发现,所提出的模型可以较好地模拟粗粒料在静动力加载下的应力-应变行为,对于循环荷载下的长期变形也能较好地预测。     

盐岩流变损伤特性及本构模型研究

借助盐岩单轴流变-声发射试验,分析了流变3个特征阶段与声发射事件数的对应关系,并基于Weibull分布构建了声发射事件数随加载时间的关系式,进而获得了损伤变量的演化关系式。对盐岩流变-声发射试验及流变-超声波试验数据拟合分析表明,该损伤变量表达式具有很好的适用性。进一步对损伤表达式中的参数进行了敏感性分析,揭示了形状参数、尺度参数对损伤值的影响规律。引入分数阶微积分理论及损伤理论,构建了基于损伤的Abel黏壶本构关系,通过替代西原模型中Newton黏壶的方法,求解获得了盐岩分数阶流变本构模型。由盐岩单轴流变试验曲线拟合分析可知,分数阶流变模型能很好地描述盐岩流变的3个特征阶段,尤其是加速流变阶段,且验证了西原模型为分数阶流变模型的一种特殊形式。     

基于分数阶导数理论的Q3黄土流变本构模型研究

荷载的时间效应诱发的黄土蠕变和渐进破坏会显著影响其工程构筑物的长期服役性能。特别是在我国西北地区黄土广泛分布,在荷载的长期作用下一些典型工程建构筑物(如西安地铁开挖的黄土隧道工程)可能因黄土蠕变和渐进破坏而失稳,进而对工程建设的顺利实施以及工程建设完成后其安全运营维护产生极为不利影响。可见,对黄土流变特性进行分析并揭示其流变机理进而建立其本构模型具有重要的理论和实际意义。为此,以Q₃黄土为研究对象,基于分数阶导数理论,通过对典型蠕变变形过程进行分析,提出了一种可模拟加速蠕变阶段非线性变化特征的分数阶元件模型,对其进行理论分析进而建立了分数阶改进西原模型并推导出本构方程。在此基础上对Q₃黄土的原状与重塑样开展了三轴分级循环加-卸载流变试验,以验证分数阶改进西原模型的有效性。相应的理论计算结果表明：分数阶改进西原模型既能实现对Q₃黄土减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变3个流变阶段的模拟,又可弥补整数阶改进西原模型无法描述加速蠕变阶段的不足,而且相比于整数阶改进西原模型,其在减速蠕变及卸载阶段的预测效果更佳。研究结果为考虑黄土流变问...     

分数阶导数黏弹性饱和土体一维固结半解析解

将分数阶微积分理论引入Kelvin-Voigt本构模型,以描述黏弹性饱和土体的力学行为。对饱和土体一维固结方程和上述分数阶导数Kelvin-Voigt本构方程实施Laplace变换,联立求解得到变换域内有效应力和沉降的解析解。采用Crump方法实现Laplace数值反演,从而获得了物理空间一维固结问题的半解析解,并将其退化到弹性和黏弹性两种经典情形,分析表明,它与经典解析解完全相同,这证明了经典弹性和黏弹性解析解可视为本研究提出分数阶导数黏弹性解的特例。开展了参数研究,即分析了相关各种参数对固结沉降的影响。研究表明,瞬时荷载情形下分数阶导数黏弹性饱和土体一维固结最终沉降量与黏滞系数和分数阶次无关,而不同黏滞系数和分数阶次对固结时间有较大影响。其研究结果有助于深入认识黏弹性饱和土体的固结力学行为。     

基于等效黏弹性的变阶分数阶岩石损伤蠕变模型

基于分数阶Zener模型与时变黏性Zener模型之间的等效黏弹性,突出弛豫时间在岩石流变黏弹性演变过程中的重要性。当弛豫时间趋近于无穷大,蠕变过程中的黏性演变等同于松弛过程中的黏性演变,并且建立了与弛豫时间相关的损伤因子,解释了损伤因子在岩石流变变形过程的物理意义。利用弛豫时间建立分数阶变阶函数,依此构造变阶分数阶损伤蠕变模型,并且将模型推广到三向应力状态,给出三向应力状态下变阶分数阶损伤蠕变模型。最后基于砂岩的三轴蠕变试验数据,验证了三轴状态下变阶分数阶损伤蠕变模型的可应用性和合理性,试验数据与模型拟合曲线吻合度较高,可以较好地描述蠕变全过程力学行为。模型拟合参数的有效性得到分析和验证,增加了模型在其他复杂应力环境下的可应用性。     

岩石蠕变的非定常分数伯格斯模型

型的伯格斯（Burgers）模型只能描述岩石第3期以前的蠕变规律。分数单元利用分数阶导数定义,是一种介于弹簧和黏壶的力学元件。用分数单元代替伯格斯模型中并联的黏壶,给出分数伯格斯模型。为了描述加速蠕变阶段,把分数伯格斯模型中串联的黏壶看成与时间有关的非定常参数,给出非定常分数伯格斯模型及相应的本构方程和蠕变柔量。串联的非定常黏壶关闭、开启时,模型分别适合描述前两期和包含第3期在内的蠕变规律。用模型拟合不同应力下的蠕变试验数据,都可给出较好的描述,说明非定常分数伯格斯模型能够很好地描述蠕变曲线中的初始衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段,证明了该模型的正确性和合理性     

盐岩的分数阶非线性蠕变本构模型

在非牛顿流体黏滞阻尼元件的基础上提出了分数阶非线性黏壶元件。基于分数阶导数的定义,得到了该元件的理论表达式,其表达式与Abel黏壶的表达式相一致,进一步比较发现该元件能反映蠕变曲线的非线性加速特征。通过引入该元件建立了新的非线性蠕变本构模型。基于蠕变试验数据,对该模型进行了拟合分析。结果表明,非线性蠕变本构模型与试验数据吻合的较好,并且能很好地反映全过程蠕变曲线的特征,尤其是非线性加速蠕变阶段。     

一种新的岩石非线性黏弹塑性流变模型

借鉴经典元件组合模型的建模思路,将含分数阶微积分的软体元件与弹簧元件串联,结合一个幂函数黏塑性体,提出一种新的四元件非线性黏弹塑性流变模型,并给出该模型的本构方程和蠕变方程,得到在不同应力条件下的蠕变曲线。可以发现,岩石稳定蠕变阶段的非线性渐变过程和加速蠕变阶段蠕变速率的快慢程度可通过调整蠕变参数进行有效地模拟。在较低应力水平时,模型能够有效地刻画岩石的初始蠕变和稳定蠕变;当应力水平超过岩石的长期强度时,能够反映加速蠕变特性。利用该模型对试验数据拟合的结果表明,含有软体元件和幂函数黏塑性体的非线性流变模型能够有效地描述岩石的蠕变特性,减少组合模型中的元件个数和参数数量。