基于数字图像相关方法的单轴压缩煤样应变局部化过程试验

为了进一步揭示煤样的应变局部化过程,利用数码相机记录单轴压缩煤样一个观测表面的散斑场,采用数字图像相关方法计算应变场,根据清晰应变局部化带位置布置相互垂直的测线,获得了最大剪切应变的变异系数与纵向应力的依赖关系。研究发现:(1)子区尺寸及测点间距不会对最大剪切应变的变异系数-纵向应变曲线的发展趋势产生影响;(2)应变局部化带法向的最大剪切应变分布左右并非严格对称,应变局部化带切向的最大剪切应变分布并非均匀,前者应与煤的非均质性有关,后者反映了应变局部化带的传播;(3)随着纵向应变的增加,应变局部化带宽度有变窄的趋势,应变局部化带法向的最大剪切应变剖面有变陡峭的趋势;(4)只有应变局部化带经历由模糊到清晰的过程才能引起最大剪切应变的变异系数的突增,此时,应变局部化出现时的纵向应力与单轴抗压强度之比为0.56。     

扩容角对圆形巷道岩爆过程的影响

利用FLAC模拟了不同扩容角时圆形巷道的岩爆过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的FISH函数删除巷道内部的单元。岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化—理想塑性行为。文章的模拟分为3步:首先,将静水压力施加在模型上,直到达到静力平衡状态;然后,利用编写的FISH函数,开挖巷道;最后,计算重新开始,直到达到静力平衡状态。模拟结果表明,随着扩容角的增加,剪切带变宽,岩爆坑变深,破坏单元数目增多,破坏区变大。当扩容角较低时,高剪切应变集中于"狗耳"形岩爆坑位置,剪切带与巷道周边切线之间的夹角较大;当扩容角较高时,高剪切应变集中于巷道周边的一些位置上,剪切带与巷道周边切线之间的夹角较小。该研究结果与Roscoe,Arthur理论相符。     

钛合金绝热剪切带宽度的演变规律研究

根据梯度增强的Johnson-Cook模型,对Ti-6Al-4V绝热剪切带中心区域的宽度(绝热剪切带宽度w5%)随平均塑性剪切应变的演变规律进行了预测。结果表明,随着平均塑性剪切应变的增加,w5%先是快速减小,然后趋于稳定。当绝热剪切带总宽度为0.3235mm时,w5%的稳定值接近Ti-6Al-4V绝热剪切带宽度的上限(55μm);当绝热剪切带总宽度为0.0705mm时,w5%的稳定值接近Ti-6Al-4V绝热剪切带宽度的下限(12μm)。绝热剪切带宽度受多种因素影响,例如,材料特性、加载速度、环境温度、应力及应变状态。本文的分析是在绝热条件下进行的,不存在塑性功率与热传导达到平衡(稳态)的假定。     

基于一阶及二阶DIC方法的常应变剪切带的测量误差分析

制作了水平和倾斜的常应变剪切带,使用数字图像相关方法(DIC)对剪切带内、外的位移场和应变场进行了测量,分析了形函数、子区尺寸及测点间距对测量结果的影响。结果表明:在剪切带边界附近,一阶或二阶DIC方法的位移误差限均较大,这是因为这些区域的子区覆盖了一部分剪切带;子区尺寸越大,或测点距离剪切带边界越近,位移误差限越大;一般对于剪切带边界附近测点,二阶DIC方法比一阶DIC方法的位移误差限小;随着测点间距的增加,一阶或二阶DIC方法的剪切带的法向剪应变坐标曲线由陡峭变得平缓,剪切带宽度逐渐增加。     

不同冲击速度条件下矩形巷道围岩变形-开裂过程数值模拟

利用自主开发的拉格朗日元与变形体离散元耦合的连续-非连续方法,开展了不同冲击速度条件下矩形巷道围岩变形-开裂过程的数值模拟研究。当岩石单元的应力满足剪切开裂判据时,考虑了应力脆性跌落效应,在此过程中,围压保持不变。为了检验该方法的正确性,开展了单轴压缩条件下岩样变形-开裂过程的数值模拟研究。针对矩形巷道围岩的计算表明:①冲击速度低时载荷-位移曲线呈单峰特点;冲击速度高时载荷-位移曲线呈多峰特点;②冲击速度低时围岩的开裂呈渐进性特点;冲击速度高时围岩的开裂呈间歇性特点,这与在冲击过程中围岩中过去形成的一种较为稳定的结构(拱)被打破,并在其外围形成了新的稳定结构(拱)有关;③在模型相同垂直方向位移时,冲击速度低时围岩两帮的开裂深度较大,这说明冲击速度低时应力的传递较为均匀,冲击速度低时的结果(例如,V形坑内岩石碎块涌入巷道)与围岩的片帮类似;冲击速度高时的结果(例如,岩石碎块的弹射现象)与岩爆类似。     

剪切带-弹性岩体系统的稳定及失稳滑动理论研究

首次应用应变梯度塑性理论对剪切带 -弹性岩体的稳定及失稳滑动进行了理论分析 ,得到了剪应力与剪切带上、下盘相对错动位移的理论关系 ,提出了采用软化段剪应力 -相对错动位移的斜率来评价系统稳定性的方法。研究结果表明 :剪切带上、下盘弹性岩石宽度越大 ,岩石材料剪切带宽度 (或内部长度 )越小 ,剪切弹性模量越小及降模量越大系统越不稳定 ;试验机剪切模量越小 ,岩样 -试验机系统越容易失稳     

岩样单轴压缩塑性变形及断裂能研究

首先研究了应变软化阶段岩石试件轴向塑性变形。假设局部化开始于峰值强度而轴向塑性位移根源于局部化的剪切位移。剪切带的相对塑性剪切位移与应力水平及剪切带宽度有关，剪切带宽度由梯度塑性理论确定。剪切带的相对塑性剪切位移在轴向的分量为轴向塑性压缩位移。研究结果表明：剪切带倾角对相对应力-塑性变形曲线斜率有一定的影响；若剪切带倾角存在尺寸效应，不同高宽比试件的相对应力-塑性变形曲线不是一条严格直线，而是一个狭窄的区域，类似“马尾”。但是，剪切带倾角对相对应力-塑性变形曲线斜率的影响是有限的，峰后应力-塑性变形曲线的斜率基本上是常量，这与前人的一些试验现象相符。然后，研究了单轴压缩条件下岩石试件全部断裂能的尺度律。全部断裂能由峰前断裂能及峰后断裂能两部分构成。在峰值强度前，采用Scott模型描述了材料的非线性弹性特征，得到了峰前断裂能的解析解。结果表明：峰前断裂能与试件的高度有关。在峰值强度后，材料的剪切应力-塑性剪切应变的本构关系为线性应变软化，采用梯度塑性理论计算了由于剪切带塑性剪切变形而消耗的断裂能。目前提出的关于全部断裂能尺寸效应的解析解的正确性被前人的试验结果的线性回归结果验证。增加试件高度，全部断裂能增加。增加弹性模量，全部断裂能降低。若不考虑剪切带倾角及抗压强度的尺寸效应，全部断裂能存在尺寸效应的原因是：峰前的均匀塑性变形。     

平面应变岩样局部化变形场数值模拟研究

在FLAC^3D的基础上开发了后处理程序，对应变软化岩样的剪切局部化变形场（包括：速度场、应变率场、体积应变率场及位移场）进行了数值模拟研究。考虑扩容效应后，剪切带的倾角和宽度均增加，剪应变率的局部化程度降低。剪切带倾角和宽度的增加对岩样的塑性性质影响正相反。两条共轭剪切带奖岩样分割成具有整体平移特性的4个小块体，每个小块体内部的位移场是比较均匀的，而剪切带附近的位移具有较大的位移梯度。剪切应变率（或应变）局部化区域与体积应变率（或应变）的位置重合，局部化区域就是岩样最终的破坏位置。