试验研究表明,应变软化并非由材料固有的性能所致,而是由材料内部微观结构性能,如微裂隙、节点、杂质、孔洞和微界面的存在所致(Sandler,1984;Read et al,1984;Valanis,1985;Frantziskonis et al,1987)。其物理学作用机理主要在于分布式损伤的不断扩展,如微裂纹的扩散、微孔洞的形成和连通、微颗粒间黏聚力的消失等。正因为如此,应变软化往往是材料完全断裂失效的先兆(Peerlings et al,1996)。在进行力学分析时若不考虑应变软化,往往会使计算出的结构应力和稳定性系数偏于安全(阎金安等,1990)。从数值计算角度来看,发生应变软化时:①材料的切线模量矩阵会失去正定性;②在动力学问题中,系统平衡偏微分方程会失去固有的双曲性而变为椭圆性(Lasry et al,1988),同时应变波的传播速度会变成虚数;③在静力学问题中,系统平衡偏微分方程则会从固有的椭圆性变成双曲性(Rice,1976;Belytschko et al,1988)。这些无疑改变了控制方程的本质属性,导致一系列病态的系统偏微分方程,使得计算结果失去实际物理意义,极大程度地增加了数值计算的难度(Chen et al,2000)。由于这些原因,传统的基于有限元方法的经典连续介质理论不再适用于求解应变软化问题。尤其在弹性或弹塑性领域求解应变软化问题时,由于不能保证网格充分稳定地复制模拟应变局部化(Bažant et al,1980;Belytschko et al,1986),基于有限元方法建立的连续介质模型通常极不稳定,而且严重依赖单元网格的尺寸及方向(Zdeněk et al,1984;Sandler,1984;Frantziskonis et al,1987;Pietruszczak et al,1981;de Borst et al,1993)。此外,在后期的自适应分析中,随着网格的细化,除了带来不稳定的求解外,还会过低地预测材料的峰值强度,而且当应变软化局部化到单一网格内时,将会导致预测出的断裂能量耗散值为零这样毫无物理意义的求解结果(Bažant,1976;Nemes et al,1996;Bažant,1988)。
因此,要掌握材料的本构关系从而准确预测其变形失效,建立一套既精确又不失物理意义的理论模型来模拟材料的应变软化行为至关重要。近年来,为了避免上述经典连续介质理论模拟应变软化时出现的问题,获得具有良好适定性且独立于离散化单元网格的数值解,国内外计算力学界的专家们对此进行了大量的研究,采用不同方法对经典连续介质理论加以正则化继而产生了各类增强型连续介质理论,总结起来共有以下4类。(www.daowen.com)
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