基于劲度模量分析的橡胶沥青混合料疲劳寿命研究

变幅加载下沥青的疲劳损伤累积具有明显的非线性特征,传统的Miner’s线性疲劳损伤累积准则无法表征不同变幅加载次序下沥青的非线性疲劳损伤累积(NLFDA)。该研究旨在建立考虑加载次序影响的NLFDA模型,准确表征加载次序对沥青疲劳损伤累积的影响。通过开展应力控制的沥青恒幅加载疲劳试验,采用耗散伪应变能(DPSE)表征沥青疲劳损伤,分析恒幅加载下沥青的疲劳损伤累积规律;采用低-高和高-低两种加载次序,开展应力控制的沥青变幅加载疲劳试验,分析变幅加载下沥青的疲劳损伤累积规律;基于损伤等效准则,建立考虑加载次序影响的NLFDA模型,分析加载次序对疲劳损伤累积的影响。结果表明：应力控制模式下的沥青疲劳损伤,呈先缓慢后急剧的非线性增加演化趋势;恒幅加载下沥青疲劳损伤服从Miner’s准则发生线性累积,且累积寿命分数等于1;变幅加载下沥青疲劳损伤不服从Miner’s准则而发生非线性累积。低-高和高-低变幅加载次序下,沥青累积疲劳寿命随一级寿命分数的增大而分别增加和减小,累积寿命分数分别大于1和小于1;建立的NLFDA模型可克服Miner’s准则缺陷,并较为准确地表征加载次序对沥青疲劳损伤累积的影响。

     

变幅荷载作用下沥青混合料的疲劳损伤试验

为了深入研究沥青混合料的疲劳性能,解决现有疲劳性能研究中没有考虑实际路面所受荷载是变幅、重复的加卸载过程这一关键问题,本文通过加载顺序和加载幅值对沥青混合料粘弹性指标的影响进行试验研究,分析了变幅荷载作用下沥青混合料劲度模量、相位角的变化,并选取耗散能作为损伤变量分析了变幅荷载下沥青混合料的疲劳损伤。试验结果表明:劲度模量与应变加载顺序有关;在低高加载顺序中,相位角在两阶段都表现为随着荷载作用次数的增加而增大,在高低加载顺序中,相位角的变化与高低应变的幅值相关;应变在高低顺序加载下累积耗散能要高于低高顺序下的累积耗散能;当采用的前后加载幅值较大时,这种现象更加明显。     

基于劲度模量分析的橡胶沥青混合料疲劳寿命研究

为了准确地预测橡胶沥青混合料的疲劳寿命（N_f）,分析N_f与劲度模量衰减量（SMD）、劲度模量衰减量相对变化率（SMDR）的相关性,根据累积劲度模量衰减量相对变化率（CSMDR）分别建立了其与疲劳荷载次数的函数关系式和损伤模型,基于SMDR与损伤演化速率的相关性分析建立了疲劳方程。结果表明：应用SMD不能很好地预测N_f,SMDR表征了产生损伤变形的劲度模量衰减量占总衰减量的比例,可用于损伤演化分析和N_f预测;建立的函数关系式和损伤模型能分别准确地刻画CSMDR的变化特征和非线性损伤演化规律;建立的疲劳方程能准确地预测橡胶沥青混合料的N_f。     

基于损伤理论的沥青混合料抗疲劳性能试验

为系统研究沥青混合料在疲劳破坏过程中的路用性能衰减过程,在不同温度、应变、频率下开展了四点弯曲疲劳试验,基于损伤理论从劲度模量变化情况和耗散能变化情况两方面评价了沥青混合料抗疲劳性能,并通过损伤面积法、灰关联分析法讨论了试验因素对沥青混合料抗疲劳性能的影响程度。研究结果表明：沥青混合料的抗疲劳性能可以采用基于耗散能的损伤因子随加载次数的变化的双对数曲线进行描述,疲劳寿命应由初始损伤和损伤累积速率共同决定;从劲度模量方面分析,沥青混合料疲劳寿命随温度的升高而增大、随应变的增大而减小、随频率的增大而减小;劲度模量和耗散能两方面的分析结果均表明温度对疲劳寿命的影响程度大于应变,劲度模量分析显示频率对疲劳寿命影响最次,耗散能分析结果显示频率与疲劳寿命的相关性不显著。     

老化沥青混合料粘弹性疲劳损伤模型研究

为了较真实反映沥青路面服务期的疲劳损伤特性,从粘弹性材料的基本特性出发,通过本构方程和耗散能的定义构造了耗散能的泛函,定义耗散能为损伤变量,建立基于Burgers模型的老化沥青混合料粘弹性疲劳损伤模型,通过直接拉伸试验确定沥青混合料的粘弹性参数,求出损伤函数、损伤演化方程,提出一种考虑疲劳过程中老化程度对疲劳损伤影响的累积疲劳损伤计算理论与方法,为沥青混合料在不同老化程度下的疲劳寿命预估提供了依据。根据疲劳损伤模型推导出沥青混合料临界损伤度、疲劳寿命计算公式,并对其进行计算比较,精度满足要求,从而验证了粘弹性疲劳损伤模型的合理性。     

混凝土三轴变幅拉-压疲劳性能试验研究

进行了最小应力水平为0.20fc,最大应力水平为0.20ft~0.55ft,定侧压为0.30fc的变截面混凝土试件三轴拉-压等幅和变幅疲劳试验,分析了混凝土三轴拉-压疲劳最大和最小纵向总应变的三阶段演变规律和级间相似性,给出了疲劳损伤演化规律。进一步验证了Miner线性损伤累积理论的不适用性,提出了非线性损伤累积模型,并进行了疲劳剩余寿命预测,通过与试验结果的比较表明该模型具有较高的精度和适用性。     

基于非线性疲劳损伤的沥青路面轴载换算

为了建立沥青混合料的非线性疲劳损伤演化方程, 同时为完善沥青路面的轴载换算方法, 首先进行沥青混合料的配合比设计, 确定矿料级配及最佳油石比, 然后从损伤力学基本理论出发, 定义模量衰减为其疲劳损伤参量, 由此推导得到了疲劳损伤方程, 并以此方程对小梁直接拉伸疲劳试验结果进行拟合, 得到了模型参数和损伤随应力比的变化规律, 建立了沥青路面轴载换算新方法。结果表明:沥青混合料的疲劳损伤演化具有明显的非线性, 用Miner线性疲劳损伤理论来描述沥青路面疲劳损伤演化过程不合适, 由此推导得到的轴载换算方法偏不安全, 建立在非线性疲劳损伤演化基础上的轴载换算方法考虑了加载历史和损伤历史的影响。     

应力控制下HTPB推进剂的疲劳损伤及寿命研究

为研究HTPB推进剂应力控制下的疲劳特性,在动态热机械分析仪上开展了不同应力幅值的疲劳试验。结果表明,应力幅值增大会使疲劳寿命缩短,应力幅值越大,相同加载次数下的疲劳峰值应变越大,疲劳谷点应变越小,最终断裂应变值基本一样。以疲劳峰值应变作为损伤因子,基于损伤力学理论建立了不同应力幅值下的疲劳损伤演化模型,克服了原有的Chaboche模型不能解释循环应变松弛的缺点,可以很好地表征材料损伤演化规律。     

复合材料层板疲劳损伤的有效能耗分析法

通过对纤维增强复合材料层板疲劳过程中能量耗散的不可逆过程的分析,并考虑不同加载次序,建立了一种以有效能耗为基础的非线性疲劳损伤累积法则.并从理论和实验证明了该法则能正确的反映载荷次序效应等疲劳累积损伤规律.     

应力水平对HTPB推进剂疲劳特性的影响

为探究HTPB推进剂在不同应力水平下的疲劳特性,开展了不同应力幅值和不同平均应力的疲劳试验。结果表明,平均应力和应力幅值增大都会使疲劳寿命缩短;疲劳过程中的应变是不断增大的,疲劳峰值应变呈现3阶段的发展规律,可以作为材料损伤的宏观表现,并从微观上分析了材料的疲劳断裂机理。通过将应力输入分解成恒应力和交变应力的叠加,基于损伤力学理论建立了HTPB推进剂不同应力水平下的疲劳损伤模型,可以很好地表征材料的损伤演化规律。     

不同应力幅比加载下2A12铝合金的多轴疲劳性能

采用SDN100/1000电液伺服拉扭复合疲劳试验机对2A12铝合金进行不同应力幅比下的多轴疲劳实验,观察试样断口形貌并结合加载过程中的疲劳循环曲线进行失效机理分析。结果表明:单级加载条件下,随应力幅比的增加合金的疲劳寿命提高,纯扭转条件下断面存在平整的光滑区域,随应力幅比的增加断面划痕减少,并能观察到疲劳条带以及鱼骨状、鳞片状和蜂窝状特殊形貌;不同应力幅比累积路径下,多轴疲劳寿命随一级加载周次变化的规律不同;高-低应力幅比累积路径下,拉压方向一级高应力幅比加载阶段出现明显的循环硬化现象,材料产生"锻炼效应"。     

斜纹编织碳纤维/环氧树脂复合材料II型分层性能及损伤演化表征

为研究编织复合材料在静载及疲劳载荷下的分层特性及损伤演化模式,对斜纹编织CF3052/3238A碳纤维/环氧树脂复合材料II型静开裂及疲劳开裂性能进行了测试。结果表明:斜纹编织CF3052/3238A碳纤维/环氧树脂复合材料裂纹扩展行为受纬向纤维影响存在周期性局部受阻现象,分层破坏模式除层间开裂外还存在纬向纤维脱粘;斜纹编织CF3052/3238A碳纤维/环氧树脂复合材料裂纹扩展速率符合Paris公式,不同加载控制模式下编织复合材料疲劳驱动力增长规律存在本质区别:恒幅疲劳载荷下斜纹编织复合材料疲劳驱动力呈抛物线型单调增长;而恒幅疲劳位移下复合材料疲劳驱动力随分层长度呈波峰型分布;采用基于载荷控制模式和位移控制模式下的疲劳驱动力模型,可对斜纹编织CF3052/3238A碳纤维/环氧树脂复合材料进行损伤演化表征,其表征效果良好,具有工程参考价值。      

复合材料单钉接头疲劳累积损伤破坏分析

基于时间增量原理 , 推导了层合板接头疲劳加载累积损伤应力2应变分析的虚功方程。同时 , 引入Hashin三维疲劳失效准则进行材料的损伤判定 , 并结合建立的疲劳加载材料退化模型、 4种基本损伤机制相互关联作用的材料性能退化方法及复合材料接头最终失效判据 , 建立了层合板接头疲劳载荷作用下三维累积损伤分析的寿命预测方法。最后 , 对层合板接头拉2拉疲劳载荷作用下的损伤累积扩展与失效规律进行了仿真分析 , 并与试验结果进行了对比 , 结果表明 : 本文中建立的寿命预测方法能够很好地预测层合板接头的寿命以及损伤发生、扩展及最终失效。      

考虑加载速度影响的沥青混合料疲劳方程

为了建立沥青混合料强度与疲劳行为之间的联系,通过不同加载速率下的沥青混合料直接拉伸强度试验,揭示了强度随加载速率的幂函数变化规律;基于不同加载速率下的强度值,得到了与疲劳加载速率对应的沥青混合料疲劳真实应力比;通过疲劳试验,创建了基于名义应力比和真实应力比的沥青混合料疲劳方程,基于名义应力比的疲劳方程后延后与横坐标的交点远比1 大,不具有后延性,而基于真实应力比的疲劳方程可以后延到疲劳寿命为1 的强度破坏点,统一了强度破坏与疲劳破坏行为;据此推导了沥青路面抗拉强度结构系数计算新方法;研究结果可为我国公路沥青路面设计规范的修订提供理论依据.     

RCA改性沥青改性机理与疲劳特性

为了对高模量RCA改性沥青改性机理与疲劳特性进行深入研究,通过沥青3个基本性能指标、布洛克菲尔德黏度、红外光谱、线性振幅扫描和介电常数测试等试验方法对沥青的性能进行测定与分析。结果表明,RCA改性剂的最佳掺量为沥青质量的16.7%;RCA改性剂对沥青的改性为物理改性;在低应变下,RCA改性沥青的疲劳性能优于基质沥青,对应变的依赖性更高;提出的沥青新疲劳破坏准则计算出的疲劳寿命与沥青混合料疲劳寿命相关性良好,用其来评价RCA改性沥青的抗疲劳性能是可行的。     

橡胶混凝土单轴受压疲劳性能研究

为掌握橡胶混凝土单轴受压疲劳性能,用粒径为30目的橡胶颗粒以不同掺量代砂制备橡胶混凝土,进行等幅循环荷载单轴受压疲劳试验研究。采用Miner累积损伤理论定义损伤量,并建立橡胶混凝土疲劳应变的损伤模型。使用概率统计方法对橡胶混凝土疲劳寿命的试验结果进行可靠性分析,得到等幅循环荷载作用下橡胶混凝土单轴受压疲劳寿命分布规律。结果表明:应力水平相同时,橡胶混凝土的疲劳寿命优于普通水泥混凝土,且随橡胶掺量的增加,混凝土的疲劳寿命随之提高。橡胶混凝土的疲劳应变变化符合普通混凝土疲劳应变发展的三阶段规律,橡胶混凝土疲劳寿命服从对数正态分布。采用双对数方程对橡胶混凝土的疲劳寿命进行线性回归分析,可得到P-S-N曲线及疲劳极限强度。     

基于残余应变的多侧压下混凝土受拉疲劳损伤研究

在侧压分别为0.25fc和0.50fc及其组合条件下,进行了混凝土在多侧压下的受拉等幅与变幅疲劳试验,得到了疲劳累积极限应变和残余极限应变,建立了残余应变与疲劳次数关系方程,并给出了残余应变与循环次数关系曲线。根据残余应变的稳定性,也即不受加载历程的影响,主要与侧应力水平和相对疲劳次数有关,以残余应变与相应应力水平下的残余极限应变之比作为损伤变量,建立了损伤变量与疲劳次数关系的统一方程,并给出了损伤变量与疲劳次数关系曲线。同时,对单轴、单、双侧压下的混凝土受拉疲劳的累积极限应变和残余极限应变与相应应力条件下的静态峰值应变进行了比较,其结果是随着侧应力水平的增加,相应的极限应变增加,再次说明了侧应力水平的影响。静态峰值应变与相应条件下的疲劳累积极限应变接近,残余极限应变与静态峰值应变及疲劳累积极限应变的比值较为稳定,其变化区间在0.22~0.28之间,且两种比值之间相差0.0~0.2。最后,对Miner准则进行了改进,并根据所建立的损伤模型与改进的Miner准则,对变幅疲劳寿命进行了预测,其结果是较为合理的。     

加筋沥青路面APA试验及其非线性疲劳损伤分析

应用沥青路面分析仪(APA)对沥青路面结构模拟试件进行多种荷载下的往返轮载疲劳试验,对比研究土工布、玻璃纤维格栅对沥青路面疲劳性能的加筋效果.在此基础上,提出沥青混合料非线性疲劳损伤演化模型,应用基于疲劳损伤力学的非线性有限元方法模拟APA 试验过程,分析了试件应力、变形、疲劳寿命等,并与试验结果对比,论证了所提疲劳损伤演化模型的合理性,指出因加筋材料的桥联效应显著地改善了裂缝穿过筋材后路面的受力变形状况,有效地延长路面的疲劳寿命.同时,基于疲劳损伤分析,进一步验证了Paris 公式可用于描述路面结构的疲劳裂缝稳定发展过程,并获得了有关的参数.     

蜂窝纸板低周疲劳及蠕变复合作用下的损伤研究

对蜂窝纸板在低周疲劳和蠕变作用下的损伤进行了研究,并采用梁柔量作为损伤参量.研究结果表明:在80%应力水平下,梁柔量在疲劳和蠕变作用下演化规律可分为:快速增加、稳定增加和梁加速断裂3个阶段.随着蠕变保载时间的增加,蜂窝纸板的蠕变寿命分数和疲劳寿命分数均下降很快.蜂窝纸板蠕变寿命分数与蠕变保载时间几乎成线性关系下降,且蠕变寿命分数远远大于疲劳寿命分数.随着蠕变作用时间的增加,疲劳/蠕变损伤的负交互作用加剧.     

7075-T651铝合金薄壁管件多轴低周疲劳行为及寿命预测

针对航空铝合金多轴疲劳失效问题,对7075-T651铝合金薄壁管件进行不同加载条件下的拉扭复合疲劳实验。结果表明:随等效应力幅的降低,多轴疲劳寿命增加;等效应力恒定时,寿命随应力幅比的升高而增加;拉扭相位差对寿命影响较小。高应力幅下材料在轴向和扭向以软化为主,低应力幅下硬化和软化交替出现。宏观断口平台区随应力幅比的增加而逐渐减小,微观断口呈现管壁外侧的多裂纹源特征,扩展区可以观察到疲劳条带和二次裂纹,瞬断区出现混合型韧窝。提出基于Basquin准则的改进模型,得到较好的寿命预测效果,寿命预测值均位于两倍分散带内。