An implicit stress integration algorithm was formulated for implementing an aiusotorpic hardening constitutive model which has been based op the generalized isotropic hardening rule in nonlinear finite element analysis technique. the rate form of stress tensor was implicitly integrated using the generalized trapezoidal rule and the tangent stress-strain modulus was evaluated consistently with the nonlinear solution technique. As a result, it has been found that the nonlinear analysis with the anisotropic hardening constitutive model might be performed accurately and efficiently.
To model the anisotropic behavior of soils in the case of reverse loading, an anisotropic hardening description is proposed on the basis of generalized isotropic hardening(GIH) rule. There is a core of the GIH rule in the allowance of the concept that the center of homology of isotropic hardening can be any proper stress states inside a yield surface. The plastic deformations could be represented for the condition of reverse loading, and an explicit constitutive relationship was formulated by utilizing a simple hardening function. The proposed hardening description has been compared with other anisotropic hardening models. For verification three sets of triaxial test results have been predicted for the drained and undrained behavior of overconsolidated clays and Ko consolidated clays.
This study is focused on the constitutive model in order to represent brittleness and dilatancy of cohesionless soils. The constitutive model was proposed on the basis of an anisotropic hardening rule with generalized isotropic hardening rule. The shape of yield surface is a simple cylinder type in stress space and it makes the model practically useful. Flow rule was approximated by a concrete function on dilatancy. A peak stress ratio was defined to model brittle stress-strain relationships. The proposed model was formulated and implemented to calculate the stress-strain relationship from triaxial tests. In the companion paper the proposed model will be verified by comparison with the triaxial test results.
The objective of this study is to perform finite element analyses(FEA) using the anisotropic hardening constitutive model on the basis of the total stress concept. An anisotropic hardening model was then developed to solve the problem and its mathematical formulations and experimental verifications were also described. In a companion paper, the constitutive equation will be formulated for accurate and efficient solutions of FEA, and coded into a nonlinear analysis program, and finally a field problem will be analyzed. The proposed model includes the failure criterion of a von Mises type and the anisotropic hardening rule based on the generalized isotropic hardening description, which can model the nonlinearity and the anisotropy of the stress-strain relationship. As a result this study could verty the experimental results for UU triaxial tests, CU triaxial tests for overconsolidated samples, and anisotropic loading tests with the rotation of principal stress axes for $K_0$consolidated samples.
The original elastoplastic Hardening Soil model is formulated actually partly under hexagonal pyramidal Mohr-Coulomb failure criterion, and can be only used in specific stress paths. It must be completely generalized under Mohr-Coulomb criterion before its usage in engineering practice. A set of generalized constitutive equations under this criterion, including shear and volumetric yield surfaces and hardening laws, is proposed for Hardening Soil model in principal stress space. On the other hand, a Mohr-Coulumb type yield surface in principal stress space comprises six corners and an apex that make singularity for the normal integration approach of constitutive equations. With respect to the isotropic nature of the material, a technique for processing these singularities by means of Koiter's rule, along with a transforming approach between both stress spaces for both stress tensor and consistent stiffness matrix based on spectral decomposition method, is introduced to provide such an approach for developing generalized Hardening Soil model in finite element analysis code ABAQUS. The implemented model is verified in comparison with the results after the original simulations of oedometer and triaxial tests by means of this model, for volumetric and shear hardenings respectively. Results from the simulation of oedometer test show similar shape of primary loading curve to the original one, while maximum vertical strain is a little overestimated for about 0.5% probably due to the selection of relationships for cap parameters. In simulation of triaxial test, the stress-strain and dilation curves are both in very good agreement with the original curves as well as test data.
This study is focused on the constitutive model in order to represent brittleness and dilatancy for cohesionless soils. The constitutive model was based on an anisotropic hardening rule derived from generalized isotropic hardening nile, which includes an appropriate hardening equation for the overall strain behavior at small to large strains. The yield surface is a simple cylinder type in stress space and it makes the model practically useful. Hence dilatancy behavior in cohesionless soils could be modeled reasonably. A peak stress ratio was defined in order to model brittle stress-strain relationships. An optimized design methodology was proposed on the basis of real-coded genetic algorithm in order to determine parameters for the proposed model systematically. The material parameters were then determined by that algorithm. In order to verify the proposed model, triaxial tests were performed under $K_0$ conditions far weathered soils. In comparison with the triaxial test results under $K_0$ conditions, the proposed model could calculate appropriately the actual effective stress behavior on brittle stress-strain relationships and dilatancy.
This paper verifies the accuracy and efficiency of the implicit stress integration algorithm for an anisotropic hardening constitutive model developed in a companion paper[Oh & Lee (1996)3. Simulation of undrained triaxial test results shows the accuracy of the method through an error estimation, and analyses of accuracy and convergence were performed for a numerical excavation problem. As a result, the stress was accurately integrated by the algorithm and the nonlinear solution was converged to be asymptotically quadratic. Furthermore nonlinear FE analysis of a real excavation problem was by performed considering the initial soil conditions and the in-situ construction sequences. The displacements of wall induced by excavation were more accurately estimated by the anisotropic hardening model than by the Cam-clay model.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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1994.09a
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pp.123-128
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1994
For the proper analysis of soil excavation problems through FEM, a constitutive model should be able to simulate the real soil behavior, especially around the excavated section. In this study, the nenlinear finite element analysis is performed using an anisotropic hardening constitutive model based on 'generalized isotropic hardening' rule. Furthermore, in order that the implementation of this constitutive model is performed consistently with the iterative algorithm for the numerical analysis, stresses are implicitly intergrated by the closest point projection algorithm, and a consistent tangent modulus is evaluated. An excavation example including various loading esquences is analyzed, and the results are compared with the Cam-clay model.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1998.10a
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pp.92-98
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1998
Nonlinear finite element analyses of one dimensional consolidation problem were performed using an anisotropic hardening constitutive model. For the analyses, the anisotropic hardening elasto-plastic constitutive model based on the generalized isotropic hardening(GIH) rule was implemented into a nonlinear finite element analysis program, PLASTIC. In order to preserve the accuracy of the finite element solution for nonlinear problems, an implicit stress integration algorithm was employed. A consistent tangent moduli could also ensure the quadratic convergence of Newton's method. As a result, the nonlinear solution was accurately calculated and was converged to be asymptotically quadratic. In a consolidation problem, the relationship between load and settlement and between settlement and time vertical was analyzed comparing with results using the Cam-clay type model and the final consolidation settlement and the duration of primary consolidation could be evaluated rigorously using the GIH constitutive model.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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