基于材料结构概念的强度准则问题分析论文

时间:2018-10-05 材料毕业论文 我要投稿

  1引言

  材料的结构性是公认的岩土领域的难题。许多学者进行了大量的艰苦的理论探索和实验工作,积累了相当数量关于这一领域的知识和经验。材料全状态函数理论是研究这类材料的一种重要方法。材料全状态函数理论认为,材料结构的临界强度、结构刚度和相应的几何形态的变化,构成了形式上的全状态函数。因此,材料结构的强度是构成这一理论的一个重要方面。针对材料的结构性,通过大量学者的努力,取得了这方面的一些新的认识。文献对一般性岩土材料的强度和简单颗粒链结构形态的材料强度提出了分析的思路和方法,文献对分形岩土材料的结构进行了分析。但对于具体的建立在材料结构性概念基础上的强度准则,还较少看到。本文在材料结构性概念的基础上,针对比较简单的一类结构性材料随机均匀分布结构材料进行了分析,并力图从材料结构性模型出发,导出这类结构性材料的强度准则。

  2考虑材料结构性的强度准则及模型

  材料结构性在宏观上主要由三个因素所决定:结构的临界强度、结构刚度和几何形态变化。但这三个因素又由材料的微观模型所确定,所以材料的微观形态(在颗粒模型中是颗粒尺度上的形态),是最终决定材料结构性的因素。

  2.1宏观材料结构特性的描述理论

  材料全状态函数理论是描述材料结构的临界强度、刚度和几何形态变化的规律,能较为全面地反映材料的基本性能的一种方法。而结构临界强度变化规律是其重要组成部分和基础。 由此可以发现,材料全状态函数与经典弹塑性理论中的强度准则的关系:材料强度曲面随结构状态变化的包络面就是全状态函数。

  这一关系反映出以下两方面含义:

  1)经典理论意义上的材料强度曲面只是材料某一特殊状态下(均匀状态)材料强度特性的反映,具有局部性(材料结构变化)和特定性(特定结构状态);

  2)材料各结构状态下强度特性的集合,就构成了材料全状态函数。全状态函数从整体上、结构变化的全部可能性上和结构变化的路径上反映了材料强度的宏观特性。

  2.2结构性材料的模型

  分析结构性材料的特征,可以发现微观或细观层面上,材料具有很强的不均匀性。分析这些不均匀性,可以将抽象为以下三种模型:

  1)区畴结构材料模型。材料的基本要素由一系列形态不一,性能不一的小区域组成,各小区域之间紧密连接(没有空隙)。由于小区域形态各异,性能不一,从而反映出材料的结构性。

  2)节理结构材料模型。材料中存在着一系列长短不一,形态变化的裂隙或者薄弱带。由于这些薄弱带或裂隙的存在,破坏了材料的整体性和均匀性,从而使材料具有了结构性。

  3)颗粒结构材料模型。材料的基本要素由颗粒组成,材料的结构性主要通过颗粒之间的连接特性、颗粒连接的分布和颗粒构成的组构关系所决定。

  从以上三类模型的特征可以发现,材料的不均匀性是逐步发展的。从区畴到节理,最后是颗粒,材料中的裂隙逐步加大,直到材料分裂为一个个独立的颗粒。也就是说,颗粒结构模型应是结构性特征最为强的模型。在颗粒结构性模型中,反映材料的结构性的因素主要是颗粒间连接的分布及方向、颗粒间的连接强度和颗粒通过连接所构成的组构关系。对于简单的均匀分布的组构关系,其对材料结构性的影响较小,因此主要由前两个因素起主导作用。

  2.3结构性材料模型的选用和强度准则

  为了讨论上的方便,本文选用颗粒结构材料模型进行分析。

  设材料由大量颗粒组成,颗粒之间构成的连接在各个方向上均匀分布,各颗粒间强度分布的概率是相等的,构成的组构关系为简单关系。这时材料的强度实际上由颗粒的连接强度所决定。

  任一颗粒间连接强度,主要由连接切平面上的垂直于切平面的拉一压强度和平行切平面的剪切强度两部分决定。而连接的切平面的法线方向,在整个统计域中,是随机均匀分布的。

  3结论

  通过对前面三种类型强度准则的分析,可以发现其强度函数的形式与经典弹塑性理论中强度函数的形式完全一致。因此,从某一方面证明了以材料结构性概念为基础的全状态函数理论可以涵盖经典理论的内容和结论。但两者的理论出发点和基础是完全不一样的。全状态函数理论是以研究和描述结构性复杂材料为对象,而经典弹塑性理论是研究均匀、连续的无结构的简单材料为对象。可以这样认为,无结构的简单材料只是结构性复杂材料的特例,经典弹塑性理论是研究特定简单材料的理论,而全状态函数理论是更一般的研究复杂材料的理论。

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