超高韧性水泥基复合材料多次冲击压缩性能及本构关系

利用直径80 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)系统进行了超高韧性水泥基复合材料(ultra high toughness cementitious composites,UHTCC)在多次冲击压缩荷载下力学性能的研究,分析了试件的应力-应变曲线随冲击次数的演化规律, 并与其他纤维增强混凝土进行对比。试验结果表明:在多次冲击荷载作用下由于损伤的累积导致加载应变率随冲击次数增加而大致呈指数递增,UHTCC的峰值强度随应变率增大而近似线性递减,峰值应变和累积吸能值逐渐增加,单次吸能值随冲击次数的增加呈先增后减的变化趋势。通过对本构模型进行探讨后发现,热激活损伤演化(TADE)模型能较好地描述UHTCC在首次冲击下的力学响应,但无法反映其在多次冲击下力学性能的演化规律;基于Weibull分布的损伤演化模型能够较好地描述UHTCC在多次冲击下的累积损伤演化规律及应力-应变曲线,在经历3次冲击作用后根据损伤程度的计算可认为试样已完全破坏,但此时试样通过PVA纤维的桥连作用仍能保持为整体,具有良好的抗破碎性。     

混合粗骨料配比对充填体强度及浆体流动性能的影响规律

矿山棒磨砂产量稀缺和充填成本大的问题是影响企业效益的重要原因之一,该文将棒磨砂和废石固结粉用作充填材料,通过研究矿山棒磨砂、混合粗骨料和固结粉充填特性,探究混合骨料配比对充填性能产生的影响,提高充填体稳定性,并制定合理化的配比参数,降低充填成本。按照灰砂比为1∶4进行试验,主要阐述混合粗骨料配比对充填体强度和浆体流动性能的影响规律。     

冲击荷载作用下混凝土动态本构模型的研究

基于混凝土冲击荷载作用下的实验研究,以修正Ottosen四参数破坏准则为屈服法则,引入损伤,构造了一个动态本构模型用于描述混凝土材料的冲击特性。宏观上,假设混凝土材料是一个均匀连续体;而从细观角度来看,混凝土材料内部存在大量随机分布的微裂纹损伤。假设微裂纹均匀分布,且符合理想微裂纹体系统条件,定义含裂纹材料中单位体积内微裂纹所占的比例来表征微裂纹损伤所引起的混凝土材料宏观力学性能的劣化,并给出了损伤的演化方程。通过模型计算模拟结果与实验结果比较发现,模拟曲线与实验曲线拟合良好,因而可以用该模型模拟混凝土材料在冲击荷载下的动态特性。     

强冲击载荷下混凝土动态本构关系

利用一级轻气炮对混凝土靶板进行冲击压缩试验,测量出不同冲击速度下的压力-时间信号曲线。采用拉氏分析方法对实验数据进行分析,得到了流场中各力学量沿时-空的分布规律,从而得到混凝土材料应力-应变试验曲线。在试验研究及拉氏分析的基础上,分析混凝土材料在强冲击载荷下的动态本构特性。最后,结合损伤率型演化和粘弹性理论,建立了混凝土材料的损伤型粘弹性本构方程。数值拟合表明理论预示与试验吻合良好。     

Weibull应力方法预测低合金钢的韧脆转化曲线

采用三参数的Weibull分布描述断裂韧度的统计规律。结合ASTM E1921-05标准,详细讨论了标准断裂试样韧脆转化曲线的建立过程;为了将标准断裂试样的测试结果用于低约束断裂试样,采用两参数的Weibull分布描述裂纹尖端局部区域的应力状态与失效概率之间的关系,并用Weibull应力将各种不同约束水平的裂纹尖端应力场联系起来,得到了预测低约束断裂试样韧脆转化曲线的公式。然后对两种A533B钢三点弯曲断裂试样进行了实例计算,进一步分析了Weibull应力的有限元计算结果,根据这些结果预测的韧脆转化曲线与试验数据相比非常吻合,证明了该文提出的方法是有效的。     

两次冲击作用下压装炸药损伤规律研究

针对装药在多次冲击作用下易产生结构损伤,进而形成热点,引起战斗部提前点火甚至起爆的问题,采用一级轻气炮为加载源,设计了冲击加载模拟实验装置,分别开展了单个10 mm 、单个12 mm、两个10 mm和两个12 mm厚端盖4种工况的冲击加载试验。结合仿真模拟和扫描电子显微镜（SEM）,获取了装药内部应力分布规律及损伤特征,分析了加载次数对装药损伤的影响。结果表明:与单次冲击加载相比,炸药在连续两次冲击加载条件下损伤模式仍以拉伸断裂为主;但试样表面裂纹条数增多、分布范围更广、拉伸波叠加以及损伤演化速率提高等因素使得二次冲击加载时炸药内部微裂纹更易发展成为宏观裂纹。     

岩石冲击损伤演化规律数值流形方法模拟

采用应力波衰减损伤模型对仅适用于模拟基于线性本构关系和恒定载荷作用下物体变形规律的数值 流形程序进行了扩展;利用扩展后的程序对岩石长杆在冲击载荷作用下的损伤演化规律进行了模拟,得出了不 同位置点处的损伤演化曲线和材料总体的损伤演化曲线。模拟结果表明,损伤的增加主要集中在冲击载荷作用 的初始阶段,随着时间的推移,应力波强度衰减,损伤将不再明显增加。     

基于Weibull分布和残余应变的SCC疲劳损伤本构模型

为了研究CRTSⅢ型板式轨道充填层自密实混凝土(Self-compacting concrete,SCC)在不同服役环境下疲劳损伤的本构关系,采用Weibull分布函数并引入残余应变表征损伤度,建立了SCC疲劳损伤的本构模型,探讨了水和动荷载共同作用对SCC疲劳损伤的影响,同时采用MTS试验机对典型充填层SCC的抗压疲劳性能进行了测试和模型验证。结果表明,基于Weibull分布和残余应变的SCC疲劳损伤本构模型能够较好地表征典型充填层SCC在疲劳荷载作用下的性能演变,本构模型的拟合结果与试验结果的相关系数大于0. 97,该模型能够较好地体现SCC的损伤随疲劳次数增加的变化。1×106次疲劳荷载后,动荷载作用下SCC极限抗压强度降低20. 5%;相比较动荷载单独作用,在饱水条件下,1×106次疲劳试验后,SCC极限抗压强度降低6. 7%;水-动荷载共同作用下SCC极限抗压强度降低27. 2%。由此可知水和动荷载共同作用加剧了SCC的疲劳损伤。     

白垩系冻结砂岩动态统计损伤本构关系研究

为了研究饱和冻结砂岩的本构关系,依托白垩系地层煤矿立井建设中冻结凿井工程,开展室内SHPB冲击试验获取冻结砂岩在不同应变率下的动态应力应变曲线,在分析岩石动力学特性的基础上,建立了基于Weibull统计分布、Drucker-Prager破坏准则及等效应变原理的砂岩强度型动态统计损伤本构关系.结果表明:冻结砂岩动态应力应...     

FGH95粉末高温合金裂纹闭合效应及裂纹扩展特性研究

采用有限元方法研究FGH95粉末高温合金标准紧凑拉伸(CT)试样的塑性诱发裂纹闭合效应,分析裂纹面上的应力分布,并考察本构模型,网格密度及应力比对裂纹闭合效应的影响,进而建立考虑裂纹闭合效应下CT试样裂纹扩展寿命分析模型,并进行寿命预测。结果表明:理想弹塑性模型下的裂纹闭合效应对网格单元的敏感性比多线性随动强化模型高;裂纹尖端塑性区内网格数达到20时,裂纹闭合趋于稳定;应力比增加裂纹闭合效应减小,当应力比达到0.5时裂纹闭合效应消失。修正的寿命预测模型对CT试样的预测精度比传统模型更高。     

动载下胶结充填体的力学特性试验研究

胶结充填体的稳定性对于矿山安全生产至关重要.为了研究动载作用下充填体的动力学特性,利用霍普金森压杆(SHPB)对充填体进行单轴冲击试验,研究充填体应力应变曲线、动态抗压强度、动态强度增长因子与平均应变率之间的关系.结果表明,当平均应变率低于60 s-1时,应力应变曲线峰后阶段为"应变回弹"类型;超过80 s-1时,为"...     

考虑初始孔隙性的含瓦斯煤岩力学本构关系与损伤演化研究

冲击地压及瓦斯次生灾害更易在深部复杂的地质构造区域发生,其实质是煤岩介质在变化多样的地应力、采动应力与瓦斯共同作用下的力学平衡系统失稳过程,准确描述含瓦斯煤岩受载过程的力学关系是明确煤岩动力灾害孕育与发生机制的根本.考虑原生裂隙对煤岩力学性质的劣化特性,将其定义为初始损伤,理论推导了以孔隙率表征的初始损伤公式,综合考虑初始孔隙率、吸附瓦斯煤岩基质膨胀、瓦斯运移的软化特性及真三向应力状态,构建了基于非均匀性统计理论的含瓦斯煤岩损伤演化方程及力学本构模型,并定性分析了各参量对煤岩力学性质的影响规律.结果表明:当煤岩初始孔隙率越高时,任意截面的裂纹长度、宽度和条数均增加,有效面积减小,局部更易产生应力集中,损伤曲线在峰值损伤量更高及峰后段增长率略降低,反之,当均质度越高时,其峰值点处的损伤值越低,损伤演化越滞后并集中于峰后阶段发展,相应的损伤演化曲线斜率越大;随瓦斯压力升高,煤岩吸附产生的膨胀应力明显增加,吸附参量a、b值同样对膨胀应力具有促进作用;弹性模量和均质度对煤岩强度及峰后应力降模量均呈现为正相关影响,使煤岩冲击危险性增强;初始损伤和较高的瓦斯压力均促进了煤岩中裂隙的发育,降低了煤岩性质的均一性,使强度和峰后应力降模量减小而塑性特征越发显著并促进煤岩软化,这也是高瓦斯煤层冲击地压低于常规指标发生的原因.     

含微裂纹夹杂多向纤维复合材料的损伤及本构关系

利用细观力学的Ｅｓｈｅｌｂｙ和Ｍｏｒｉ－Ｔａｎａｋａ理论，考虑纤维和筒 裂纹之间的相互作用，研究了材料内部微裂纹的损伤演化规律及其材料力学性能的影响，导出了基本体开裂的 条件及多向复合材料的细观本构关系。     

沥青砂粘弹塑蠕变损伤本构模型实验研究

针对沥青砂的非线性材料特性,结合连续损伤力学理论,对传统Burgers模型进行改造,提出了粘弹塑蠕变损伤本构模型,通过对不同实验条件下沥青砂单轴蠕变试验结果的非线性拟合,获得模型参数,然后利用模型进行预测分析,得到了不同应力水平与环境温度下的蠕变曲线和损伤演化曲线,通过比较发现该文模型能够更合理地反映沥青砂加速蠕变的非线性特征,而且蠕变过程中损伤演化的速度受蠕变时间、应力水平与环境温度的影响很大。     

声发射技术监测疲劳损伤探讨

在实验室的高频疲劳试验机上,对紧凑拉伸试样进行疲劳损伤试验,用声发射技术记录声发射参数的变化.使用小波分析识别降噪方法和外触发采集卡(只在裂纹扩展时才采集数据,裂纹闭合时不采集数据)等措施,将各种噪音分离出去,最后只有试样的疲劳损伤裂纹起裂和扩展的声发射波形信号,经处理后获得的疲劳裂纹扩展长度与应力循环次数关系,接近于人工测得的疲劳裂纹扩展长度与应力循环次数关系曲线.     

高应变率下含水红砂岩爆破损伤演化模型研究

基于直径50 mm的Hopkinson压杆装置,从宏观与微观两方面探究含水红砂岩在应力波作用下的力学特性与损伤演化机理,并将弹性模量定义的含水损伤与微元破坏数量定义的荷载损伤视为宏观损伤与微观损伤,基于Weibull理论与Drucker-Prager准则,推导得到红砂岩在含水率与应变率耦合作用下的复合损伤变量与动态损伤本构方程。研究表明,岩石损伤在一定范围内随含水率的增加而逐渐扩大,随着试样饱和,含水损伤趋于稳定。复合损伤变量与荷载损伤在应变率的作用下变化趋势近似,可分为初始阶段、低速发展阶段与快速发展阶段,代表了岩石在爆破冲击作用下的损伤演化过程,与含水红砂岩动态压缩破坏过程中应力-应变曲线的各个阶段相对应。将理论应力-应变曲线与实测应力-应变曲线进行对比,对建立的动态损伤本构模型准确性进行验证,发现该模型与含水红砂岩在动态压缩过程中的各个阶段拟合度较好,证明了该模型的准确性。     

不同加载率作用下的岩石节理本构模型修正

为了得到更为准确的岩石节理本构模型,在Instron1342伺服控制力学试验机上对岩石节理试样进行了不同加载速率作用下的法向压缩闭合试验,获得不同加载率下节理试样的闭合变形曲线,闭合曲线具有高度的非线性且向上弯曲,曲线斜率随着加载力的增大而增大,最后趋于定值。用五种常用的函数方程对节理闭合变形试验数据进行拟合,得到了拟合效果较好的改进的半对数和改进的指数函数。通过对试验数据的分析,研究了模型参数与加载率之间的关系,从而建立了考虑加载速率效应的节理压缩闭合经验本构模型,并得到试验验证。     

基于Weibull模型的C/C复合材料销钉剪切强度分布及本构关系

针对C/C复合材料销钉力学性能各向异性的特点,开展基于Weibull分布模型的C/C销钉剪切强度分布及本构关系研究,探讨不同剪切方向对C/C销钉剪切强度和剪切本构的影响规律。基于两参数Weibull分布模型,采用最小二乘法获得不同剪切方向上剪切强度的分布规律;根据C/C复合材料损伤失效机制,采用基于Weibull分布的弹性损伤模型表征材料的剪切本构关系,并通过试验数据获取损伤模型中的参数。结果表明:通过Kolmogorov-Smirnov拟合优度检验,两参数Weibull分布模型能较好地表征C/C销钉剪切强度的分布规律;沿45°方向剪切的C/C销钉,其剪切强度最高;随着剪切角度的增大销钉剪切刚度逐渐降低,从0°方向上的19.46 kN/mm下降到90°方向上的12.70 kN/mm。      

动载下胶结充填体的力学特性试验研究

胶结充填体的稳定性对于矿山安全生产至关重要。为了研究动载作用下充填体的动力学特性,利用霍普金森压杆(SHPB)对充填体进行单轴冲击试验,研究充填体应力应变曲线、动态抗压强度、动态强度增长因子与平均应变率之间的关系。结果表明,当平均应变率低于60 s^(-1)时,应力应变曲线峰后阶段为"应变回弹"类型;超过80 s(-1)时,应力应变曲线峰后阶段为"应变回弹"类型;超过80 s^(-1)时,为"峰后塑性"类型;介于二者之间时,为"应力跌落"类型;随着平均应变率的增大,试样动态抗压强度先迅速增大,后趋于稳定,对应的平均应变率临界值为80 s(-1)时,为"峰后塑性"类型;介于二者之间时,为"应力跌落"类型;随着平均应变率的增大,试样动态抗压强度先迅速增大,后趋于稳定,对应的平均应变率临界值为80 s^(-1)。利用Gompertz模型能较好的描述充填体动态抗压强度与平均应变率之间的关系;动态强度增长因子与平均应变率正相关,当平均应变率处于40～130 s(-1)。利用Gompertz模型能较好的描述充填体动态抗压强度与平均应变率之间的关系;动态强度增长因子与平均应变率正相关,当平均应变率处于40～130 s^(-1),动态强度增长因子范围在1.5～3之间。     

循环荷载作用下超高性能混凝土的轴拉力学性能及本构关系模型

对具有不同拉伸应变特性(应变强化和应变软化)的超高性能混凝土(Ultra high performance concrete, UHPC)进行了单调和循环荷载作用下的直接拉伸试验。试验结果表明:应变强化UHPC基体开裂后进入多点微裂纹分布的应变强化段,达到极限抗拉强度后进入单缝开裂的应变软化段;应变软化UHPC基体开裂后直接进入单缝开裂的应变软化段;循环荷载下两种类型UHPC的轴拉应力-应变曲线包络线与单调荷载下的应力-应变曲线基本一致;基于刚度退化过程建立了两种类型UHPC的轴拉损伤演化方程,根据实测应力-应变曲线和试件的裂缝分布形态建立了两种类型UHPC的轴拉本构关系模型,与试验结果基本吻合;采用能量法研究了应变强化UHPC两阶段轴拉本构关系在数值计算时的等效方法。最后,通过无筋应变强化UHPC抗弯试验梁的数值模拟对本文建立的应变强化UHPC轴拉本构关系模型和损伤演化方程及相关假定进行了验证,结果表明本文建立的应变强化UHPC轴拉本构模型能较好地预测UHPC弯拉构件的极限承载力,轴拉损伤变量能在宏观层面上较好地反应试件的裂缝分布状态。