含约束薄膜的单轴拉伸的理论与数值研究

基于微态理论与应变梯度弹性理论框架,对含约束薄膜的单轴拉伸问题进行了研究。推导出在不同微观约束边界条件下薄膜单轴拉伸的解析解,较好的预测了薄膜内的边界层效应。通过分析两种理论之间的内在联系,发现可选取微态理论中的耦合因子作为罚参数,使得微态理论可以退化至应变梯度弹性理论。计算结果表明施加罚参数后的有限元解在边界层区域外...     

考虑应变梯度效应的三点弯梁模型解析研究--第一部分:局部化带的传播

为分析应变软化和由此带来的应变局部化问题,将梯度塑性理论引入裂纹带模型。以拉应变局部化区域代替裂纹带,在三点弯梁裂纹带(具有一定尺寸的带宽由特征长度确定)内部存在着不均匀分布的拉应变,这与实验结果相符。对拉应变进行积分,得到了拉应变局部化区域的张拉位移的理论表达式,结果表明:该位移与拉应力成线性规律,拉应变局部化区域的宽度越大,弹性模量越小或降模量越小,则该位移越大。此外,采用应力平衡条件、应变软化的本构关系及平截面假定,还得到了拉应变局部化区域的扩展规律,结果表明:下降模量越大、三点弯梁高度越小及弹性模量越小,则在相同的拉应力的情况下,拉应变局部化区扩展的长度越小;抗拉强度对拉应变局部化区扩展长度的最大值没有影响。此外,还研究了梁中部横截面内中性轴到具有最大承载能力的点的距离的变化规律。     

考虑应变梯度及刚度劣化的剪切带局部变形分析

基于梯度塑性理论,研究了应变软化阶段的刚度劣化对剪切带内部的局部应变及相对剪切位移的影响。剪切带被看作一维剪切问题,本构关系为线弹性及线性应变软化。考虑刚度劣化后,剪切带的弹性应变由弹性剪切模量、损伤变量及残余剪切模量确定。剪切带的非局部总应变由双线性的本构关系确定。将非局部总应变减去弹性应变,可得剪切带的非局部塑性应变。剪切带非局部塑性应变与流动应力及损伤变量等参数有关,此关系即为在经典弹塑性理论框架之内的考虑刚度劣化的屈服函数。将二阶应变梯度项引入该函数,可得剪切带内部的局部塑性剪切应变及局部总剪切应变的分布规律。对局部塑性剪切应变积分,得到了局部塑性剪切位移。结果表明:考虑了刚度劣化后,剪切带内部的弹性剪切应变及位移增加,而局部塑性剪切应变及位移降低。若不考虑刚度劣化,理论结果可蜕化为以前的结果。理论结果与岩石局部变形的观测结果在定性是一致的。     

剪切带内部应变(率)分析及基于能量准则的失稳判据

应用应变梯度塑性理论对局部化剪切带内部(塑性)剪应变(率)规律进行了理论分析.研究了剪切降模量及岩石材料内部长度等参数对剪切带内部应变(率)的影响.推导了剪应力(率)与剪切带相对错距(速度)的本构关系.研究了剪切降模量和岩石材料内部长度对剪切带稳定性的影响.将岩石试件直剪试验试验机简化为钢块,采用能量准则对岩石试件(剪切带)及钢块系统的稳定性进行了理论研究,提出了系统失稳判据.研究表明;岩石材料的剪切降模量越大,岩石材料的内部长度越小,试验机的剪切刚度越小及试验机的等效高度越大剪切带--钢块系统越容易失稳.     

平面应变条件下饱和土体分叉后的力学性状

土坡和挡土墙的应变局部化和渐进破坏分析的一个关键问题是如何合理描述土体分叉后的力学性状,而从试验得到的峰后应力应变关系实际上并不是土体本身的一种真实本构反应。为此,提出了一种描述含剪切带土体宏观力学特性的改进后的复合体理论(或均匀化理论)。结合干密砂以及饱和松砂、中密砂、密砂的平面应变试验结果,验证了该理论框架的合理性。     

基于局部位移场最小二乘拟合数字图像相关方法的剪切带应变测量

采用局部位移场最小二乘拟合数字图像相关方法测量了虚拟剪切带的应变,并将测量结果与中心差分方法的结果和理论解进行了对比,主要研究了计算窗口尺寸和子区尺寸的影响。研究发现:当子区尺寸较小且应变计算窗口尺寸较大时,局部位移场最小二乘拟合数字图像相关方法的测量结果接近于理论解;对于测量单轴压缩条件下低液限黏土试样破坏过程中的应变场,局部位移场最小二乘拟合方法的测量结果比中心差分方法测量结果更准确,有助于对剪切带应变的准确测量。     

考虑应变梯度效应的三点弯梁模型解析研究——第二部分:局部化带的位移及转角

基于梯度塑性理论,分析了应变软化及真实裂纹扩展阶段的局部化带的张拉位移和转角。在弹性阶段,可以由弹性理论来确定二者的关系。真实裂纹出现后,利用平衡条件、几何条件及梯度以来的应变软化本构关系,得到了真实裂纹长度与局部化带长度的关系。当真实裂纹刚出现时,局部化带长度达到最大值。在任何阶段,局部化带到中性轴的距离单调降低,局部化带的张拉位移和转角受梁深、带宽、弹模及下降模量等的影响。弹模及下降模量越大,带宽越小,则局部化带的张拉位移和转角都增加。而且,在前两个阶段,张拉位移都线性增加,但在后两个阶段,转角都非线性增加。     

应变梯度塑性理论下超薄梁弯曲中尺度效应的数值研究

构造了一个在物理空间二次完备的应变梯度非协调单元,在验证了单元数值可靠性后,采用该单元详细研究了均布载荷作用下超薄梁弯曲中的尺度效应现象。计算结果与实验观测一致,即随着梁厚度的减小,其尺度效应增强。并发现在平面应力状态下,梁的梯度效应略强于平面应变状态。最后指出,尽管梁越薄,其梯度效应越强,但梁抗弯刚度仍随厚度的增加而增大。     

GFWRP管增强混凝土柱的轴压泊松比

为完善和发展GFWRP管增强混凝土柱的设计与计算理论,设计并制备了不同管径、壁厚及缠绕角的GWFRP管混凝土柱试件。进行了轴心压缩试验并对试验结果回归分析,得到GFWRP管混凝土柱轴心压缩过程中转折点及峰值点的泊松比变化方程和相应的应变预测公式,得到组合结构轴压全过程的泊松比变化预测方程。可由给定的组分材料性能预测组合构件的极限泊松比和极限应变,达到预测实际工程中GFWRP管混凝土柱抗力与变形性能的目的。通过试验及计算结果对GFWRP管混凝土与传统钢管混凝土的泊松比变化趋势进行了对比分析,发现两者变化规律完全不同。进一步探讨了GFWRP约束管的纤维缠绕角对组合结构轴压泊松比的影响。结果表明,纤维缠绕角与轴压泊松比近似成反比关系。为制定合理的GFWRP复合材料增强混凝土柱规范提供了理论依据。      

基于两种破裂判据的裂隙岩体单轴压缩起裂分析

该文引入Rankine最大拉应力准则和Mohr-coulomb剪切破坏准则分别作为岩石基质的拉伸和压剪破裂判据,分析了单轴压缩下裂隙岩体的起裂机制。根据含单个椭圆裂隙的无限域岩体在单轴压缩下的应力理论解,编制了Matlab程序,计算分析了不同短轴与长轴比k和倾角α(加载轴与裂隙长轴间的夹角)下的岩石基质应力集中系数、两种不同起裂机制的破裂函数值、开裂位置和开裂临界荷载。对多裂隙岩体,采用ABAQUS有限元软件进行了应力计算和起裂机制分析。计算结果表明：1)与单裂隙岩体相比,多裂隙岩体的岩石基质应力集中系数略大、起裂临界荷载略小,但起裂位置相同;2)随着裂隙倾角α的增大,岩石基质的主拉应力集中区由裂隙端部附近很小的区域逐渐变为裂隙中部的大面积区域,而主压应力集中区则反之;3)存在临界裂隙倾角α0,其值在45°附近。当裂隙倾角0<α≤α0时,在裂隙端部同时有拉应力和压剪应力集中,拉破裂临界荷载小于压剪破裂临界荷载,但随着裂隙轴比的增大二者逐渐相等,表明岩体受拉破裂和压剪破裂共同影响越来越明显;当α0<α≤90°时,尽管拉破裂临界荷载大于压剪破裂临界荷载,但首先发生在裂隙端部的压剪破裂区范围很小,而随后将在裂隙中部或端部发生大量的拉伸破裂。上述分析结果与实验现象较为吻合。     

L、T形柱轴压比限值研究

对T、L形柱轴压比限值进行了深入的研究,指出T、L形柱轴压比限值与截面尺寸有关;并针对T、L形柱当腹板受压时轴压比限值很低,在实际工程设计中很难实现这一现象,提出了提高轴压比限值的方法,考虑增加腹板端部配筋和箍筋约束混凝土作用的有利影响,对T、L形柱轴压比限值进行了电算分析。得出了以下主要结论:T、L形柱肢长、厚比越大,轴压比限值越低;增加腹板端部配筋对T、L形柱轴压比限值有所改善;考虑箍筋约束混凝土作用对轴压比限值有明显提高。最后给出了考虑肢长、厚比不同的T、L形柱轴压比限值。     

基于能量原理的岩样单轴压缩剪切破坏失稳判据

利用能量原理对倾斜的剪切带-带外弹性岩石构成的系统的稳定性进行了研究。单轴压缩岩样沿轴向的变形被分解为两部分,带外弹性岩石压缩引起的变形和剪切带错动引起的变形。后者与剪切带的相对剪切变形具有简单的几何关系。系统的总势能由剪切带的弹性及耗散势能和带外弹性岩石对剪切带所作的外力功构成。剪切带的弹性及耗散势能与剪切带的体积有关系。剪切带的尺寸由梯度塑性理论确定。将系统的总势能对相对剪切变形求一阶导数(等于零),得到了弹性岩石的平衡条件。将总势能对相对剪切变形求二阶导数(小于零),得到了系统的失稳判据。它综合反映了岩石材料弹性及应变软化阶段本构参数(弹性模量及软化模量)、剪切带之外弹性岩石的尺寸、剪切带的尺寸及系统的结构形式(剪切带倾角)对系统稳定性的影响。失稳判据比以往所得到的失稳判据更严格,更精确,更具有广泛意义。     

钢纤维掺量和轴压比对预应力扁梁框架力学性能的影响

利用ABAQUS非线性有限元分析研究钢钎维掺量和轴压比对无粘结预应力混凝土扁梁框架受力性能的影响。有限元模型中混凝土采用塑性损伤模型,考虑了钢纤维对混凝土本构关系的影响,同时采用弹簧单元模拟钢筋与混凝土间的粘结滑移作用。算例表明,采用本文的方法进行钢纤维预应力扁梁框架力学性能研究是可行的。在此基础上,分析不同钢纤维掺量和柱轴压比对无粘结预应力扁梁框架力学性能的影响。研究表明,较大的轴压比可以提高结构极限承载力,但降低结构延性和耗能,对于无粘结预应力扁梁框架,建议在抗震地区其轴压比限制不宜大于0.6。钢纤维可以有效提高预应力扁梁框架的极限承载力、延性和耗能,从而提高其抗震性能,其影响与轴压比的大小有关。     

不同轴压比新型混合装配式混凝土剪力墙抗震性能试验研究

对1个现浇、2个新型混合装配式足尺比例试件进行了低周反复荷载试验,以验证新型混合装配式剪力墙的抗震能力。同时,新型混合装配式试件考虑了0.1、0.2两种轴压比条件,以探讨轴压比参数对其抗震能力的影响规律。试验结果表明,与现浇试件相比,相同轴压比条件下,新型混合装配式试件的抗裂性能、承载力、刚度均较现浇试件明显提高,位移延性性能接近,耗能能力有所降低;随轴压比降低,新型混合装配式试件的刚度明显降低、残余变形增大、耗能能力提高,除试件强度特性外,各方面性能均劣于较高轴压比的现浇试件。     

方钢管混凝土轴压短柱的非线性有限元分析

借助商用有限元分析软件ABAQUS,考虑材料本构关系的非线性以及受力过程中材料Poisson比的变化等因素,建立了方钢管混凝土短柱在轴心压力作用下的非线性有限元计算模型,讨论了钢管与核心混凝土之间的接触压力、荷载对核心混凝土纵向应力分布的影响以及钢管对核心混凝土的约束效应等问题。有限元计算得到的载荷-变形全曲线与试验结果符合较好。     

考虑一阶和二阶位移梯度的数字图像相关方法在剪切带测量中的比较

当剪切带中存在二阶位移梯度或应变梯度时,研究了两种数字图像相关(DIC)方法在测量位移、应变及应变梯度中的表现。以基于梯度塑性理论的剪切带的位移解作为基础,通过Matlab仿射变换制作了具有不同平均剪切应变和应变梯度的虚拟剪切带。通过对其计算和分析得到了下列结果：当剪切带的平均剪切应变和应变梯度较高时,与只考虑一阶位移梯度的DIC方法相比,考虑二阶位移梯度的DIC方法优势明显,获得的位移、应变及应变梯度结果与理论解比较吻合,由于DIC方法测量的是平均应变,因此,剪切带中心的峰值应变将被低估;当剪切带的平均剪切应变和应变梯度较低时,剪切带中心的峰值应变可能被高估,受标准偏差的影响,考虑二阶位移梯度的DIC方法没有优势。基于上述研究结果,在单向压缩应力控制加载条件下,对砂样从开始加载至宏观裂纹出现之前变形过程中的3种应变场的4种结果进行了分析。由于应变不超过0.25,因而考虑二阶位移梯度的DIC方法的结果并无优势。     

金属薄板塑性应变比(r值)测量的影响因素分析

采用正交试验及其设计表测定了r值,运用方差分析计算得出影响r值测量的主要因素为试样类型（规格）,最后对r值的准确测量给出了合理建议。