基于统一硬化参数的深海能源土本构模型及其ABAQUS二次开发

论文摘要

天然气水合物被认为是21世纪极具开发前景的新型战略性替代能源,是一种亚稳态物质,温度升高或是压力降低都能导致水合物分解。深海能源土是指含天然气水合物的深海沉积土体,水合物的形成和分解会影响能源土的强度、刚度、剪胀等特性。能源土本构特性的模拟对天然气水合物的安全开采至关重要。本文针对水合物的形成对能源土强度、刚度、剪胀等特性的影响,主要进行了能源土本构模型的研究及其基于ABAQUS的UMAT子程序的开发与验证。本文主要完成了以下工作:(1)综述了国内外对深海能源土力学特性以及本构模型的研究现状,梳理了本构模型的UMAT二次开发的进展情况,简介了建立岩土材料本构模型的相关理论,包括屈服准则、加卸载准则、流动法则以及硬化规律等内容。简述了姚仰平等提出的统一硬化参数以及UH模型基本公式。(2)针对能源土强度、剪胀和软化等力学特性,分析了水合物饱和度、赋存形态等因素的影响机理。引入了密实性参量和结构性参量两个饱和度参量来反映水合物对能源土强度和变形的影响。在修正剑桥模型基础上,引入密实性参量和结构性参量,采用统一硬化参数和关联流动法则,建立了能源土的本构关系,推导了相应的弹塑性矩阵。通过模型模拟结果与已有能源土三轴试验数据对比分析,验证了模型的合理性和有效性。(3)梳理概括了ABAQUS及其UMAT子程序的相关理论,简单介绍了显示应力积分算法,重点推导了半隐式应力积分算法的公式,总结了半隐式积分算法流程,为实现能源土本构模型的二次开发做好理论准备。(4)根据能源土弹塑性本构关系公式和二次开发所需的应力应变更新公式,利用ABAQUS提供的用户材料子程序接口UMAT,采用FORTRAN语言和半隐式向后Euler积分算法开发出了UMAT子程序。并进行了单个单元以及多个单元模型的三轴试验路径模拟,验证了二次开发子程序的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景和意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 深海能源土力学特性研究现状
•     1.2.2 深海能源土本构模型研究现状
•     1.2.3 本构模型的二次开发研究现状
•   1.3 本文主要研究内容与技术路线
•     1.3.1 研究内容
•     1.3.2 技术路线
•     1.3.3 本文的创新点
• 第2章 土的弹塑性本构模型基本理论及UH模型简介
•   2.1 引言
•   2.2 土的弹塑性模型基本理论
•     2.2.1 屈服准则与破坏准则
•     2.2.2 加卸载准则
•     2.2.3 流动法则
•     2.2.4 硬化规律
•   2.3 UH模型
•     2.3.1 统一硬化参数
•     2.3.2 UH模型基本公式
•     2.3.3 UH模型的扩展及特点
•   2.4 本章小结
• 第3章 基于统一硬化参数的深海能源土本构模型
•   3.1 引言
•   3.2 水合物作用机理分析
•   3.3 深海能源土的弹塑性本构模型
•     3.3.1 能源土压缩特性
•     3.3.2 密实性参量和结构性参量
•     3.3.3 深海能源土本构模型构建
•   3.4 能源土本构模型的模型参数与预测
•     3.4.1 模型参数
•     3.4.2 模型验证与探讨
•   3.5 本章小结
• 第4章 UMAT子程序接口及应力积分算法
•   4.1 引言
•   4.2 ABAQUS概述
•   4.3 UMAT子程序接口
•     4.3.1 UMAT子程序接口介绍
•     4.3.2 UMAT子程序的原理及使用
•   4.4 应力积分算法
•     4.4.1 显示Euler积分算法
•     4.4.2 半隐式积分算法
•     4.4.3 半隐式积分算法流程
•   4.5 一致切线模量
•   4.6 本章小结
• 第5章 UMAT子程序编制及验证
•   5.1 引言
•   5.2 MCC模型、UH模型以及能源土本构模型半隐式格式三轴压缩不排水路径模拟
•   5.3 深海能源土本构模型UMAT子程序的编制和验证
•     5.3.1 三轴压缩试验设置
•     5.3.2 三轴压缩试验的单个单元模拟结果与理论结果对比
•   5.4 深海能源土本构模型UMAT子程序简单应用
•   5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间论文发表及科研工作
• 致谢
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘锐明

导师: 孔亮,李凯

关键词: 统一硬化参数,天然气水合物,能源土,弹塑性本构模型,子程序,软件

来源: 青岛理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 青岛理工大学

分类号: P744

总页数: 80

文件大小: 4381K

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