基于三剪统一强度理论的多晶冰软化本构模型研究及应用

摘要

随着全球气候变暖情况不断加剧，极地冰川正在加速退缩，冰川发生大规模崩塌、滑塌的频率逐渐增加。冰川冰的主要存在形式为多晶冰，开展多晶冰本构模型研究对于分析冰川稳定性具有重要的意义。本文基于三剪统一强度理论提出了能够反映中主应力影响的屈服函数和塑性势函数，考虑黏聚力随加载过程的变化规律，构建了基于等效塑性应变的硬化函数。采用非相关联流动法则建立能够反映多晶冰力学软化特性的弹塑性本构模型，利用多晶冰常规三轴剪切试验结果对提出的本构模型进行验证，结果表明，提出的弹塑性本构模型能够很好地描述多晶冰的偏差应力–轴向应变及体应变–轴向应变行为。随后，预测了不同中主应力系数条件下的多晶冰真三轴偏差应力–轴向应变及体应变–轴向应变行为。预测结果表明：多晶冰偏差应力–轴向应变曲线均表现出明显的软化，随着中主应力影响系数的增加，残余强度和峰值强度不断增加；体应变随着轴向应变的均表现出先体缩后体胀趋势，并且随着中主应力影响系数的增加，最大体缩量和最大体胀量不断增加。推导出多晶冰弹塑性本构模型的有限差分格式，并写入到数值软件Flac^3d中，利用单个单元对写入的本构模型的正确性进行了验证。研究结果旨在为冰川的稳定性评价提供理论及数值模拟基础。

关键词

冰川稳定性 / 本构模型 / 多晶冰 / 数值模拟

基金资助

国家自然科学基金（U22A20596）; 兵团青年科技创新人才科研启动基金（2023CB008–28）; 宜昌市自然科学研究项目（A23–2–007）