2022年creep蠕变基础知识.docx

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1、名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -名师精编 优秀资料蠕变模型将 flac3d 的蠕变分析 option 进行了简洁的翻译,目的是为了搞清晰蠕变过程中系统时间是如何跟真实时间对应的；2.1 简介Flac3d 可以模拟材料的蠕变特性,即时间依靠性,1. 经典粘弹型模型 model viscous 2. model burger 3. model power 4. model wipp 5. model cvisc flac3d2.1 供应 6 种蠕变模型：6. powe 蠕变模型结合 M-C 模型产生 cpow 蠕变模型（ model cpow）

2、7. 然后 WIPP 蠕变模型结合 D-P 模型产生 Pwipp 蠕变模型（ model pwipp）；8 model cwipp 以上模型越往下越复杂,第一个模型使用经典的maxwell 蠕变公式,其次个模型使用经典的 burger 蠕变公式, 第三个模型主要用于采矿及地下工程,第四个模型一般用于核废料地下隔离的热力学分析,第五个模型是其次个模型的 M-C 扩展,第六个模型是第三个模型的 M-C 扩展,第七个模型是第四个模型的 个模型的一种变化形式,只是包含了压硬和剪缩行为；2.2 蠕变模型描述 2.2.1 只介绍经典粘弹型模型即 maxwell 蠕变公式D-P 扩展,第八个模型也是第四牛顿

3、粘性的经典概念是应变率正比于应力,对于粘性流变应力应变关系以近似于弹性变形的方式进展；粘弹型材料既有粘性又有弹性,maxwell 材料就是如此,在一维空间它可以表示为一根弹簧（弹性常数）连接一个粘壶（粘性常数）,它的力 -位移增量关系可以写成：式中.（2.1）.FF是速度, F 是力,设力的初始值为 F ,增量值为 F 经过一个t 时间步,式（2.1）可以写成细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 1 页,共 10 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -名

4、师精编优秀资料2F（2.2）FFFtt这就是中心差分公式；解F 得FFC 1tC2（2.3）C 112C 211t2式（2.3）写成偏应力与应变增量的关系ddC 12 GdC2（2.4）ijijij上式中：这里,ij为应变增量张量重量,dij1ijijij3d1ijij3ijijC 11Gt2C211tG2ij为初始应力张量重量, G 为剪切模量；对于应力应变的体积重量,假设体积变化不受流变影响；iso1kkKkk（2.5）3K 为体积模量,最终的应力张量就表示为偏量和球量之和：ijdisoijij该模型要求输入材料属性 力作用下它表现为弹性；2.3 flac3d 解流变问题 2.3.1 简介

5、K 和 G 和粘性常数,在剪应力作用下材料连续流变,在球应细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 2 页,共 10 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -名师精编 优秀资料流变模型和 flac3d 其他模型最大的不同在于模拟过程中时间概念的不同,对于蠕变,求解时间和时间步代表着真实的时间,而一般模型的静力分析中,时间步是一个人为数量,仅仅作为运算从迭代到稳态的一种手段来使用；2.3.2 flac3d 的蠕变时间步长对于蠕变等时间依靠性问题,flac3d 容

6、许用户自定义一个时间步长,这个时间步长的默认值为零,那么材料对于粘弹性模型表现为线弹性,对于粘塑性模型表现为弹塑性；（命令 set creep off也可以用来停止蠕变运算； ）这可以用来在系统达到平稳后再开头新 的蠕变运算；蠕变公式中包含时间,所以运算中时间步长对程序响应有影响；虽然用户可以对时间步进行设置,但并不是任意的；蠕变过程由偏应力状态掌握,从数值运算的精度来讲,最大蠕变时间步长可以表示 成材料粘性常数和剪切模量的比值：For the power law . . . . .省略tcrGmaxFor the WIPP law . . . . . 省略For the Burger-cre

7、ep viscoplastic model, tmax = min K/GK, M/GM上面方程应当写成：上标 K 和 M 分别代表 Kelvin 和 Maxwell ；蠕变压缩的时间限制包括系统体积反应,并且估量为粘性和体积模量的比值；粘性可以表示为 和体积蠕变压缩速率的比值； 蠕变压缩的最大蠕变时间步如下： 2-127 建议利用 FLAC3D作蠕变分析开头时所采纳的蠕变时间步,比依据上式算得的时间tmax 小两到三个数量级；通过调用 SET creep dt auto on ,可以利用自动时间步自动调整（见 2.3.3 ）；作为一项规章, 时间步的最大值 （SET creep maxdt

8、）不能超过 tmax ；参见 2.5 节例题；用来运算 tmax 的应力 大小,可由蠕变开头之前的初始应力状态打算；同样,作为 von Mises 不变量,可以用 FISH 函数运算；涉及体积变化响应的蠕变分析,其最大时间步长可以表示成材料粘性常数和体积模量的比值,这里粘性常数就是平均应力和蠕变体应变率.c的比值；v一般 flac3d 举荐使用的初始蠕变时间步长比最大时间步长（由上述公式运算得到的）约小 2 到 3 个数量级； 假如使用 set creep dt auto on命令,那么程序将自动调整蠕变的时细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -

9、 第 3 页,共 10 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -间步长,这在下一小节名师精编优秀资料set creep maxdt）设置的2.3.3 中介绍,同样应当记住通过命令（最大蠕变时间步不能超过 t m ax；cr2.3.3 自动调整蠕变时间步长用户可以设置蠕变时间步为一个常数值,也可以使用 set creep dt auto on命令自动调节；假如时间步长自动变化,那么当最大不平稳力超过某一阀值时,它就会减小；当最大不平稳力小于某一水平常它就会增大；力的比值；系统将该阀值定义为最大不平稳力和平均节点

10、对于即将求解的问题,先只考虑弹性效应,通过观看接近初始平稳状态时的不平稳 力就可以大致知道整个问题的不平稳力大小；在有些算例中,又会尽量防止对时间步长的连续调整,这样的话,在某一次时间步长调整之后,可以定义一个“ 推迟阶段”（比如 100 步）,在这一“ 推迟阶段” 内不再发生进一步的时间步长调整；一般来说,为了适应开挖之类的瞬变,时间步长一开头是一 个较小值,然后在模拟过程中增大,假如再发生瞬变,最好人工调小时间步长,然后让 它自动增大；要解决问题的典型的不平稳力准就,可以通过观看只有弹性作用的初始阶段接近平衡时的不平稳力来打算；许多情形下通过逐步增大或减小时间步可以达到很好的性能；（例如默

11、认比值 lmul = 1.01 和 umul = 0.90.一些情形下,最好防止对时间步进行连续调 整,这可能产生 “干扰 ”；为了达到这个目的, 时间步发生转变后应有一个“等待时间 ”（比 如：100 步）,让系统暂停,这段时间中时间步不做进一步调整；通常时间步开头与小的 数值来适应短暂的过程比如开挖,然后随模拟进程增加；假如增加一个短暂过程,就需要手工减小时间步然后在让其自动增加；命令 动调整所需要的参数；关键词见 2.4.12.4 蠕变模型的指令输入 2.4.1 flac3d 命令 Config creep SET creep 用来设置时间步以准时间步自这个命令必需使用,以便开头蠕变分析

12、；History dt 时间步长 第 4 页,共 10 页 Model Crtime 蠕变时间viscous 经典粘弹性模型细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -Print creep 名师精编优秀资料显示蠕变模型的参数信息Property Zone prop 显示安排给单元的材料属性bulk 弹性体积模量, KSet Shear 弹性剪切模量, GViscosity 动力粘性常数,creep age t 使用 solve

13、求解蠕变问题, t 是蠕变时间的限值；Dt t Auto on Auto off T 就是蠕变时间步长,假如不进行赋值,就默认 为 mindt；Auto on auto off 是自动调整时间步长 开关,默认为关；设置为开时,要通过关键字 lfob,ufob,lmul,umul 和 latency 来掌握时间步长；Lfob v v 值,就时间步长自动增大；v不平稳力比率低于Ufob 默认为103v 值,就时间步长自动减小；v 不平稳力比率超过Lmul 默认为 5.0*103lfob,就时间步长自动乘以v 不平稳力比率低于值, lmul 必需大于 1,默认为 1.01 Umul v ufob,就

14、时间步长自动乘以v不平稳力比率超过值, lmul 必需小于 1,默认为 0.90 Latency v 延长阶段的时间步数细心整理归纳 精选学习资料 Maxdt v 第 5 页,共 10 页 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -名师精编 优秀资料最大蠕变时间步长,默认没有限制,但是设置的Mindt 时候最好不要超过cr tm axv 最小蠕变时间步长,默认为零 On 蠕变时间开关,一旦确认蠕变分析（config creep）就默认为开Off Solve

15、 age Time t t t 蠕变开头的时间,默认为config creep 后, t 为蠕变运算的时间限值 FISH 中可以用的变量 crdt creep timestep crtime creep time 2.4.2 property 经典粘弹性（ Maxwell 介质） MODEL viscous 1 bulk 弹性体积模量 , K 2 shear 弹性抗剪模量 , G 3 viscosity 动态粘滞度 , Burger s Model MODEL burger 1 bulk 弹性体积模量 , K 2 kshear 开尔文抗剪模量 , GK 3 kviscosity 开尔文粘性系数

16、 , K 4 mshear 麦斯韦尔剪切模量 , GM 5 mviscosity 麦斯韦尔粘性系数 , M Burger-Creep 粘塑性模型 MODEL cvisc 1 bulk 弹性体积模量 , K 2 cohesion 内聚力 , c 3 dilation 膨胀角 , 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 6 页,共 10 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -4 friction 内摩擦角 , 名师精编优秀资料5 kshear 开尔文抗剪模量

17、, GK （6）kviscosity 开尔文粘性系数 , K 7 mshear 麦斯韦尔剪切模量 , GM （8）tension 极限抗拉强度 , t 9 mviscosity 麦斯韦尔粘性系数 , M 2.5 蠕变的例子 FLAC3D处理二维问题（采纳蠕变模型）new gen zone brick size 8 1 22 p0 0 0 -6 p1 4.2 0 -6 p2 0 1 -6 p3 0 0 5 pause ；建立模型 inter 1 face range x 4.1 4.3 y 0 1 z -6 5；加 3 个接触面inter 2 face range x 0 4.2 y 0 1 z

18、 -5.9 -6.1 inter 3 face range x -.1 .1 y 0 1 z 5 -6 pause；gen zone brick size 30 1 22 p0 4.2 0 -6 p1 50 0 -6 p2 4.2 1 -6 p3 4.2 0 5 ratio 1.05 1 1 pause；gen zone brick size 1 20 10 p0 0,0 0 p1 0 1 0 p2 -20 0 0 p3 0 0 5 ratio 1 1.1 1 pause；gen zone brick size 12 20 1 p0 0 0 0 p1 0 0 -6 p2 -20 0 0 p3

19、0 1 0 ratio 1 1.1 1 pause；gen zone brick size 30 20 1 p0 4.2 0 -6 p1 50 0 -6 p2 4.2 0 -55 p3 4.2 1 -6 ratio 1.05 1.1 1 pause；gen zone brick size 8 20 1 p0 0 0 -6 p1 4.2 0 -6 p2 0 0 -55 p3 0 1 -6 ratio 1 1.1 1 pause；gen zone brick size 20 20 1 p0 0 0 -6 p1 0 0 -55 p2 -20 0 -6 p3 0 1 -6 ratio 1.1 1.1

20、1 pause；group soil ；定义组 group exca1 range x -20 0 y 0 1 z 3 5 group exca2 range x -20 0 y 0 1 z 0 3 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 7 页,共 10 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -名师精编 优秀资料group mixingpiles range x 0 4.2 z -6 5 ；边界约束fix x range x -19.9 -20.1 fix

21、 x range x 50.1 49.9 fix y fix z range z -55.1 -54.9 config creep ；启动蠕变模块 def burcal bkk=bme/3*1-2*b1 bk1=bke/2*1+b1 bk2=bme/2*1+b1 bvis1=vis1 bvis2=vis2 end set bme=1.35714 set bke=3.25714 set b1=0.35 set vis1=1.35714 set vis2=19.2857 burcal model moh range group mixingpiles；定义本构 model burger range

22、 group soil any group exca1 any group exca2 any prop b b1 ksh bke msh bme kvis vis1 mvis vis2 range group soil any group exca1 any group exca2 any prop s 1e9 b 2e9 c 2e10 range group mixingpiles；赋材料属性 ini dens=1900 range group mixingpiles；定义密度 ini dens=1800 range group soil any group exca1 any group

23、 exca2 any inter 1 prop fric 40 kn 1e8 ks 1e8 ten 0；给接触面赋材料属性inter 2 prop fric 40 kn 1e8 ks 1e8 ten 0 inter 3 prop fric 40 kn 1e8 ks 1e8 ten 0 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 8 页,共 10 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -名师精编 优秀资料set grav 0 0 -10 ；重力加速度ini syy

24、 -4.5e4 grad 0 0 0.9e4；初始应力平稳ini sxx -4.5e4 grad 0 0 0.9e4 ini szz -9e4 grad 0 0 1.8e4 pause; 初试平稳求解前solve pause; 初试平稳求解结果ini xdis 0 ydis 0 zdis 0 ；初始位移为零set creep mindt=1e-2 maxdt=1 set creep on ；开启蠕变运算his unbal his gp xdis 0. 0.5 5 his crtime model null range group exca1；开挖第一步solve age 6 ；蠕变运算paus

25、e; 开挖第一步求解结果model null range group exca2；开挖其次步solve age 12 ; 开挖第 2 步求解结果2.6 开挖后围岩随时间变化的例子model cvisc 或其它的蠕变本构模型 proper 各种蠕变参数hist id 1 crtime 记录蠕变时间hist id 2 gp xdisp 一点的三维坐标hist id 3 gp ydisp 一点的三维坐标hist id 4 gp zdisp 一点的三维坐标plot hist 2 vs 1 plot hist 3 vs 1 plot hist 4 vs 1 ；细心整理归纳 精选学习资料 - - - -

26、- - - - - - - - - - - 第 9 页,共 10 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -名师精编 优秀资料solve age 天数或小时（依据蠕变参数中的粘性系数的单位来统一起来）save 文件名 hist write 2 3 4 vs 1 file 文件名 遵照上面的步骤,再丰富一下就可以求得开挖后围岩随时间变化的位移曲线；但必须清晰 “开挖后围岩随时间变化 ”的问题是一个岩体流变（蠕变）的问题,这超出了开挖 瞬态（ static ）运算的范畴；2.7 试样加卸载的粘塑性反应 该例子展现了

27、再无约束压缩试验中轴向应力施加速率对两个粘塑性试样的影响；第一个试样的粘弹性特点遵循广义开尔文法就,另一个遵循Power Law；以摩尔 -库伦破坏准就为屈服特点；粘塑性特点根同样压力下弹塑性摩尔库伦材料制成的第三个试样作比较；本部分的单位可以懂得为任何一样的单位系统,但只是用来阐述问题,并不具有代表性；粘弹性和粘塑性试样都采纳一个单元表示；为了代表广义开尔文粘性特点,在例题2.13 中没有让麦克斯韦单元体的粘性起作用；在第一部分中,分 1500 步向试样两侧施加大小为 10e-4 （距离 /时间）的竖向压缩速度；时间步设为 10e-3 ；对这个无约束的压缩试验中,依据摩尔库伦准就判定当轴向应

28、力达到（）时将会发生受剪屈服；另一方面施加同样轴向应力的试样将会发生初期破坏（incipient failure ）；弹性关系如下： xx = 1 - 2 22/ 1 + 2 这里 1 = K +4/3G, 2 = K -2/3G, xx = -2vt/L,v 是施加的速度大小, t 是发生初期破坏所用的模拟时间,L 是试样的水平长度；在本次模拟所采纳的参数的情形下,摩尔试样将在 t=0.762 左右发生破坏；数值解见图 2.33 ；留意, cvisc 体和 cpow 体在同一应力水平处破坏,但时间上延迟；这也反映了蠕变的成效；增加加载速度,在最终变形两不变的情形下重新模拟,两种模型的反应更加相像；见图 2.34 ；试验的其次部分,加载速度置0,模型循环 500 步；摩尔库伦试样保持屈服,另两种试样随蠕变的进展卸荷； 见图 2.35 ；通过比较图 2.35 和图 2.36 的粘塑性特点可以看 出蠕变和塑性流淌的相互作用,在最新的图中,速度置零之前答应更多的塑性流淌,随 后最大蠕变卸荷减小；细心整理归纳 精选学习资料 试验的第三部分是循环加载； 在这一阶段三个试样在同一应力水平屈服,见图 2.37 ； 第 10 页,共 10 页 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -