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人工冻土遗传分数阶导数蠕变本构模型研究

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摘要

1 绪论

1.1 问题的提出

1.2 人工冻土的基本概述

1.3 国内外研究及现状

1.3.1 人工冻土蠕变的研究

1.3.2 分数导数理论的历史革沿

1.3.3 分数导数在冻土蠕变机理中的运用

1.4 本文的主要研究内容

2 分数阶导数粘弹性理论

2.1 分数阶微积分及其简单性质

2.1.1 分数阶导数的定义

2.1.2 分数阶导数的积分变换

2.1.3 分数阶导数具有的简单性质

2.1.4 分数阶导数的数值计算方法

2.2 黏弹性材料的蠕变

2.3 粘弹性材料的应力松弛

2.4 分数阶导数模型的构成机理

2.4.1 基本流变元件

2.4.2 元件的连接方式

2.4.3 分数阶导数Maxwell模型的理论及其解析

2.4.4 分数阶导数Kelvin模型的理论及其解析

2.4.5 分数阶导数三元件固体模型理论及其解析

2.4.6 分数阶导数Burgers模型理论及其解析

2.4.7 分数阶导数西原模型理论及其解析

3 人工冻土单轴抗压强度与单轴蠕变实验及研究

3.1 冻土单轴试验机介绍

3.2 冻土单轴抗压强度实验

3.2.1 黏土试样的制备及试验过程

3.2.2 试验方法与标准

3.2.3 试验结果与分析

3.3 冻土单轴蠕变实验

3.3.1 黏土试样的制备及试验过程

3.3.2 试验方法与标准

3.3.2 试验结果与分析

4 人工冻土遗传算法分数阶导数开尔文蠕变模型

4.1 引言

4.2 蠕变模型的提出

4.2.1 开尔文模型

4.2.2 分数阶导数开尔文模型

4.3 遗传算法优化方法

4.4 分数阶导数Kelvin模型在冻土蠕变过程中的应用

4.4.1 人工冻土单轴蠕变试验

4.4.2 人工冻土开尔文蠕变模型

4.4.3 人工冻土分数阶导数开尔文蠕变模型

4.4.4 经验公式的应用

4.5 小结

5 结论和展望

5.1 主要结论

5.2 展望与建议

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果

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摘要

冻土是一种极其复杂多变的工程应用材料,其特殊的物质成分和复杂的结构决定了冻土具有复杂的工程特性。在传统的土力学研究中,土的本构关系都是应力与应变两者之间的关系。而事实上,自然界土体的应力与应变的关系与时间有着紧密的关系。越来越多的工程实例表明,岩土很多工程的破坏都跟冻土流变有关。因而,研究冻土的流变特性具有重要的理论价值和实践意义。正如土的本构关系在土力学中的重要性,土的流变本构关系也是土流变研究的关键所在。
  基于分数阶导数的基本定义,本文构建了一种新的流变元件Abel粘壶,与其他经典元件组合,得到了描述冻土流变特性的分数阶导数蠕变模型,即提出了在经典粘弹性模型理论中采用Abel粘壶代替传统的牛顿粘壶的新观点。利用经典粘弹性理论和分数阶导数理论对冻土材料的流变性能特别是蠕变性能进行了分析。在开尔文模型的基础上,利用人工冻土蠕变方程中参数的对应关系,建立参数非线性蠕变模型,针对整数阶微积分本构关系所需元件多等不足,采用分数阶微积分来描述人工冻土的蠕变过程。采集两淮地区的黏土进行重塑,在自行研制的WDT-100冻土性能试验机上进行了人工冻土的单轴抗压强度和单轴蠕变试验,对试验结果分别用经典Kelvin模型、分数阶导数Kelvin模型和经验公式进行了本构建模,并且采用遗传算法进行全局优化。研究表明:
  分数阶导数模型可以精确地拟合冻土的蠕变过程,而且形式简单、统一,在计算过程中需要调整的参数很少,往往比经典的Maxwell模型、经典的Kelvin模型、经典的三元件固体模型、经典的Burgers模型、经典的西元模型都要精确很多。
  分数阶导数模型理论将分数阶微积分理论和经典模型理论的方法统一起来,使得模型的物理概念更明确,并且使已有分散的分数阶导数模型工作系统化,使问题的解法系统化,它克服了经典模型理论与实验结果吻合不好的严重缺点,仅采用很少几个元件的组合就可以获得很好的效果,可以预见,分数阶导数模型在土的流变本构、结构减灾、高分子材料等研究领域及其计算中将有着广泛的应用前景。

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