聚脲包覆混凝土的压缩和吸能特性研究EI北大核心CSCD

混凝土结构在受到远超其极限强度的准静态或通近近载荷通用时,常常发博粉碎性的破坏,导致结构坍塌。采用高弹性材料包覆混凝土有可能减缓结构的灾难性坍塌。该文从从了聚脲涂层包覆的圆柱形混凝土试件在准静态从从态落锤压缩下的破坏过程从吸能特性。实验结果表明混凝土试样的抗压强度存在明显的应变率硬化效应,观察到聚脲包覆混凝土从无聚脲包覆混凝土破坏后期残余承压特性的明显差异。分析了有无聚脲包覆混凝土的破坏形态,结果表明聚脲包覆混凝土的压缩吸能效果远远优于无包覆混凝土,有可能承压吸能构件应用于工程实际。     

纤维缠绕复合材料夹芯圆柱体准静态压缩吸能机制

提出并设计了一种新型纤维缠绕复合材料夹芯圆柱体吸能结构单元。为探讨其在准静态压缩载荷作用下初始损伤的产生、扩展及演变规律,基于ABAQUS建立该单元数值分析模型,并开展了准静态压缩试验。数值模拟与试验现象综合分析表明,准静态压缩载荷作用下单元结构的响应具有三阶段特征,包括初始线弹性压缩阶段、渐进损伤阶段和结构破坏阶段。固体浮力芯材在压缩载荷作用下产生塑性损伤变形和剪切断裂破坏,纤维缠绕复合材料表层在芯材横向膨胀效应引起的环向应力作用下发生环向纤维的拉伸断裂破坏,导致单元结构稳态吸能过程的终止。研究结果表明,该单元比吸能效率远高于传统的复合材料圆柱壳结构。     

编织复合材料圆管准静态轴向压缩吸能特性的试验研究

通过二维三向编织复合材料圆管的轴向准静态压缩试验, 分析了编织复合材料圆管的压缩破坏机理和吸能特性, 并探讨了编织参数对吸能特性的影响。试验中观察到4种破坏模式: 分瓣破坏、 局部屈曲、 块状断裂和突发破坏。在纤维体积分数相同的情况下, 随着编织层数的增加和编织角的减小, 圆管的吸能能力有所提高。二维三向编织复合材料圆管是一种较好的吸能材料, 具有较高的单位质量吸能特性。      

闭孔泡沫铝缓冲性能及其变形失效机理研究

在闭孔泡沫铝的准静态压缩实验基础上,研究不同孔隙率下的力学性能和吸能性能,分析其压缩变形机理。结果表明,闭孔泡沫铝的压缩过程存在明显的3个阶段:线弹性阶段、塑性平台阶段和致密化阶段。随着孔隙率的增大,闭孔泡沫铝的屈服强度、弹性模量和压实应力均减小。在压缩过程中,吸能效率和理想吸能效率均是先上升后下降。孔隙率对吸能效率影响较大,对最大理想吸能效率影响不大。将理想吸能效率曲线和吸能效率曲线结合可以选择合适的缓冲材料,发挥其最佳吸能特性。闭孔泡沫铝在准静态压缩条件下有良好的塑性变形能力,变形呈逐层破坏的特征。     

聚脲涂覆三维负泊松比点阵夹层结构在碰撞冲击作用下的动态响应试验

针对四面内凹金字塔型负泊松比点阵夹层结构在有无聚脲涂覆两种情况下的抗冲击力学性能进行了研究。采用增材制造方法制作负泊松比点阵结构,通过长直杆冲击试验得到负泊松比点阵夹层结构在碰撞载荷作用下的变形过程、吸能特性和破坏模式。试验结果表明:涂覆聚脲可使该型负泊松比点阵夹层结构提高17%以上的总吸能,增强结构的整体抗冲击能力,显著降低前面板的内凹变形,有效避免芯层大范围的坍塌破坏。相比于未涂覆聚脲模型,涂覆聚脲的负泊松比点阵夹层结构在受冲后保持完整,芯层仍具有承载能力,表现为塑性弯曲变形。     

负泊松比三明治结构填充泡沫混凝土的面内压缩性能

为改善负泊松比三明治结构的受压破坏模式且提高其缓冲吸能能力,提出一种填充泡沫混凝土的新型复合三明治结构。在负泊松比结构中填充不同密度(409 kg/m3、575 kg/m3、848 kg/m3、1 014 kg/m3)的泡沫混凝土得到负泊松比填充结构,并对无填充负泊松比结构、负泊松比填充结构和泡沫混凝土对照试块在准静态压缩下的破坏模式和吸能特性进行比较。根据荷载-位移关系和破坏模式得到以下结论:当填充物密度较小时,负泊松比填充结构能够将填充物的泊松比限制在较小的数值,胞元表现出内凹的变形模式,结构发生逐渐被压实的压缩破坏;当填充物密度较大时,结构发生“X”型剪切破坏,塑性铰区域和剪切带附近的胞壁发生断裂破坏;泡沫混凝土填充物的密度越大,填充结构的压实应变越小,吸收的能量越多,但当填充物密度超过一定值后,填充物密度的增加对负泊松比填充结构能量吸收能力的提升作用不再明显,结构的比吸能降低。      

中等应变率下泡沫铝的吸能特性

进行了不同密度、高度和压缩方向下泡沫铝的准静态压缩试验和中等应变率下(＜100 s-1)的冲击试验,研究了具有不同密度的闭孔泡沫铝在准静态压缩和冲击工况下的吸能特性.结果表明,泡沫铝是一种近似的各向同性结构,具有较高的单位质量吸能特性,是一种较好的吸能材料.在准静态和中等应变率冲击条件下,泡沫铝对应变率不敏感,其应力应变关系与应变率关系不大.不同的泡沫铝,其平台应力与密度之间的关系不同,在研究其性能时,必须测量应力-应变关系.泡沫铝的致密区对其吸能特性有很大的影响.     

碳纤维增强环氧树脂复合材料圆管多胞填充结构吸能特性的准静态压缩试验

针对现有研究对复合材料多胞结构吸能特性研究的不足,提出了一种由多根小尺寸的单根碳纤维增强环氧树脂复合材料圆管(Single CFRP tube,SCT)填充进大尺寸碳管组成的多胞填充结构(Multicellular filling structure,MFS),并分别对SCT和MFS进行了单次全行程加载和多次分段加载的准静态压缩,分析了其压缩破坏模式和吸能特性。研究结果表明:MFS最外侧碳管破坏模式与SCT破坏形式相似,且单次全行程压缩与多次分段压缩的破坏模式没有明显区别,但MFS最外侧碳管由于内部碳管及碎屑的挤压呈现出明显的径向变形;相对于单次全行程压缩过程,SCT及MFS多次分段压缩时的总耗能量更多;本次研究的SCT试件最大比吸能为86.0 J/g,最小比吸能为59.3 J/g,然而由于MFS最外侧管件的比吸能低,导致其比吸能在69.8~75.9 J/g之间,小于单管根碳管的最大比吸能,但进一步研究可知,合适的外部约束形式和内部碳管数量可使MFS比吸能高于SCT的最大比吸能。      

泡沫铝填充薄壁金属管结构冲击吸能特性研究

目的 为了研究静动态加载下泡沫铝填充薄壁金属管结构吸能特性随泡沫铝密度的变化规律。方法利用材料试验机对3种不同密度的泡沫铝填充薄壁金属管结构进行准静态压缩,利用Taylor–Hopkinson实验装置对相同结构进行动态压缩实验,基于电测和光测法获得结构的静动态压缩载荷位移曲线,对载荷位移曲线进行积分得到结构的静动态吸能特性。结果 准静态压缩下,随着泡沫铝密度的增加,泡沫铝填充薄壁管结构能量吸收能力近似成指数增加。动态压缩下,结构能量吸收能力随泡沫铝密度增加先保持不变后增加。结论 准静态压缩下,在薄壁金属管中添加泡沫铝能明显增加泡沫铝填充薄壁金属管结构能量吸收能力,但在动态压缩下,低密度泡沫铝的添加无益于增加结构的能量吸收能力,为增加薄壁金属管的吸能能力需要求泡沫铝的密度超过一定值。     

纤维铺层角度对复合材料薄壁圆管轴向压溃吸能特性影响研究

研究T700/3234复合材料薄壁圆管轴向压溃吸能特性受纤维铺层角度变化的影响规律。开展复合材料力学性能试验和薄壁圆管轴向准静态压溃试验。通过对比圆管轴向压溃峰值载荷及比吸能等指标的试验结果,验证建立的复合材料圆管有限元模型和分析方法。基于验证的有限元分析方法,探讨了复合材料纤维铺层角度的变化对薄壁圆管轴向压溃吸能特性的影响规律。结果表明,在准静态轴向压缩载荷下,随着纤维铺层角度的增大,比吸能先增大后减小;纤维角度为±45°时,初始峰值载荷最低,载荷效率最高,圆管易于进入渐进破坏吸能阶段。研究结果可为复合材料纤维铺层角度设计及复合材料薄壁结构有限元建模提供参考。     

基于细观单元等效化方法的混凝土动态破坏行为分析

混凝土材料具有明显的应变率效应,对其力学性质增强机理的认识还不统一。在细观随机骨料模型基础上,采用特征单元尺度划分试件网格,推导了考虑材料拉/压强度应变率效应的细观单元等效本构关系,建立了非均质混凝土材料的细观单元等效化数值模型。基于二维模型对Dilger等混凝土动态压缩试验进行了数值模拟,获得的数值结果与试验数据及随机骨料模型结果吻合良好,证明了细观单元等效化方法的准确性;进而对三维混凝土试件动态单轴拉伸和压缩破坏模式及宏观力学性质的加载速率效应进行了研究。数值结果表明:随着加载速率的增加,混凝土裂纹(损伤)数量增大,混凝土破坏将耗散更多的能量,是混凝土动态强度提高的主要原因。     

静载和动载下不同龄期混凝土力学特性的试验研究

利用杆径为75mm的SHPB试验装置对5种不同龄期下的混凝土分别进行了冲击压缩试验,系统了解了冲击载荷对不同龄期支护混凝土力学特性的影响。为了进行对比,利用INSTRON系统也进行了相应龄期下的静载压缩试验。试验研究表明:静载下混凝土强度、割线弹性模量随龄期增长而增长,其中强度增长主要集中在龄期7d以前,割线弹性模量增长则集中在龄期14d以后,而峰值应变随龄期增长整体上呈减小的趋势;动载下混凝土强度、峰值应变以及单位体积吸收能随着龄期增长而增长,在各个龄期都表现出对应变率具有一定的敏感性,其中不同龄期混凝土的动态强度随应变率增加呈现指数函数增长趋势。不同龄期的混凝土在动载下以拉伸破坏为主,静载下基本呈现剪切破坏形式。     

撞击荷载下钢筋混凝土柱动力响应的数值研究

为了研究撞击荷载下钢筋混凝土柱的动力响应,该文基于有限元软件LS-DYNA建立了钢筋混凝土构件碰撞模拟分析的数值模型。对经典钢筋混凝土梁落锤试验进行数值模拟,分析表明该数值模型能够较好的模拟钢筋混凝土构件碰撞过程中的撞击力和变形发展。基于该模型该文研究了不同因素对刚体碰撞钢筋混凝土柱动力变形和撞击力的影响,包括撞击体速度、质量和形状,钢筋混凝土柱纵向配筋率、配箍率和混凝土轴心抗压强度以及材料应变率。分析表明钢筋混凝土柱在撞击作用下的破坏模式主要包括:局部损伤型、整体破坏型和局部破坏型。影响撞击力曲线变化的因素可分为三种:撞击体自身的因素,影响柱体刚度的因素和影响柱体材料强度的因素。各种因素对撞击力峰值、撞击力平台值和撞击持时分别具有不同的影响规律。这些规律将为建立建筑结构倒塌分析的简化撞击力模型提供参考。     

一向侧压混凝土在不同加载速率下的受压试验及其破坏准则

本文利用大连理工大学的大型混凝土静、动三轴试验系统，完成了4种侧应力等级和4个数量级加载速率的混凝土受压试验试件共63个。系统地探讨了侧应力和不同加载速率下的受压强度规律。在此基础上，建立了相应的混凝土破坏准则。为地震区受动态双轴压作用的混凝土结构、海上混凝土采油平台等重要结构的动态分析，奠定了可靠的基础。     

聚脲材料动态压缩力学行为的数值模拟研究

以聚脲材料动态压缩力学特性为研究对象,提出了考虑动态弹性模量、动态强度因子和动态切线模量的简化三直线弹塑性本构模型;基于ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,建立了低、中、高不同应变率下聚脲材料压缩有限元模型,并与实验结果进行对比分析。结果表明：动态弹性模量增大因子、动态强度因子和动态切线模量因子随应变率增加而有规律的增大,均和应变率的对数呈双线性关系。在中低应变率下,三者的线性关系斜率都比较平缓;在高应变率下,三者的线性关系斜率都比较陡,且弹性模量动态增大因子的斜率比动态强度因子的更大,而第二阶段动态切线模量因子的斜率与动态强度因子的基本一致,但第三阶段动态切线模量因子的斜率是动态强度因子的2.3倍左右,说明高应变率下聚脲材料的后期应力强化效应更加显著。聚脲材料的简化三直线弹塑性本构模型可以在ANSYS/LS-DYNA有限元软件中较好地实现。该文建立的有限元模型能较为准确地模拟聚脲材料压缩实验,进一步验证了简化弹塑性本构模型在不同应变率压缩加载下的有效性。该研究可以为聚脲涂覆加固防护结构有限元模型提供材料模型参数依据。     

Impact capacity of railway prestressed concrete sleepers

Extreme loading conditions on railway tracks may include dynamic impact loads with very high magnitude but short duration. These loading conditions are caused by wheel or rail abnormalities such as flat wheels, dipped rails, etc. This type of loading is very rare and could occur once or twice in their design life span. A high-capacity drop weight impact testing machine was constructed at the University of Wollongong, in order to evaluate the ultimate capacity of prestressed concrete sleepers under impact loads. This paper presents the experimental investigations to evaluate failure modes, flexural toughness, and energy absorption mechanisms for railway prestressed concrete sleepers under static and impact loadings. Energy absorption capacity of the prestressed concrete sleepers was evaluated to determine the amount of energy required to fail the sleeper under impact load. Static and impact tests were carried out on the Australian-manufactured prestressed concrete sleepers. The residual capacity of the prestressed concrete sleepers after impact has also been highlighted. Also, this paper presents a simplified approach to predict ultimate moment capacity of railway prestressed concrete sleepers under impact loading. Modified compression field theory has been employed in the flexural resistance prediction, based on a generalized sectional analysis software, Response-2000. Effects of dynamic strain and loading rates were taken into account for predicting the impact capacity. The test results exhibit very good correlation with the predicted results by the modified compression field theory.     

三轴SHPB加载下砂岩力学特性和破坏模式的试验研究

利用改造的三轴SHPB动静组合加载实验装置,对均质砂岩进行了不同围压和不同应变率下的三轴冲击压缩试验,作为对比利用RMT-150C试验机也进行了部分准静态下的三轴压缩实验。根据实验结果,分析了围压对砂岩动态冲击性能的影响,并重点讨论了冲击过程中岩石的破坏模式。研究结果表明,在围压一定的情况下,岩石的动态压缩强度随应变率的提高而提高;在应变率相同的情况下,岩石的动态压缩强度和弹性模量会随着围压的增大而增大。岩石发生破坏的临界入射能,随着围压的增大而增大。岩石单位体积吸收能与应变率之间呈线性递增关系,而且递增的程度随着围压的增加而增加。三轴冲击加载下,应变率较低时岩石内部形成压剪破裂面但整体不失稳,应变率很大时岩石破碎形成锥形块体形式。