块石长轴倾角对土石混合体宏观力学性能的影响研究

作为一种非均质材料,土石混合体的宏观力学性能与其内部块石细观结构密切相关。在外荷载作用下,土石混合体中存在块石骨架结构和非结构性土体两种荷载传递体系。该文从荷载传递路径和剪切路径发展两个角度,对块石的结构效应进行了分析,明确了块石长轴倾角这一细观因素对土石混合体抗剪强度的影响机理。将土石混合体视为由块石和土体基质组成的两相复合材料,采用椭圆形描述块石,建立土石混合体细观分析模型,并开展了300组双轴压缩试验。进而从主应力差值、内摩擦角及黏聚力三个角度,针对块石长轴倾角对土石混合体宏观力学性能的影响规律进行了分析。结果表明:当块石长轴倾角在0°~90°变化时,土石混合体的主应力差值及强度参数均呈现出先减小后增大的趋势;当块石长轴倾角为45°+φ_s/2时,主应力差值及强度参数均取得最小值;主应力差值及强度参数随块石长轴倾角的变化规律均可采用抛物线方程描述。     

块石空间分布对土石混合体边坡稳定性的影响

土石混合体是自然界中分布广泛的一种地质材料, 受组分多样性, 块石粒径大小不一和块石空间分布位置随机等因素的影响, 其物理力学性质十分复杂。在土石混合体边坡的稳定性分析中, 以往大多将其简化为均匀地质体结构而不考虑块石的影响。该文采用有限元强度折减法, 对土体和四种不同类型块石分布的土石混合体边坡分别在自重状态(准静态)和打桩作用(动态)下的稳定性进行了分析, 探讨了块石空间分布对剪切带和边坡稳定性的影响。计算结果表明, 土石混合体边坡内的剪切带具有明显的绕石效应, 位于土石混合体边坡内部不同位置处的块石对边坡稳定性产生的影响不同。     

一个基于细观物理机制的土石混合料抗剪强度理论模型

土石混合料是由多粒组矿物颗粒集成的多相天然地质材料,具有显著的跨尺度层次物质群体自然特征。为考虑不同粒组颗粒对土石混合料抗剪强度的影响,根据土石混合料变形时不同粒组颗粒的细观运动特征,将其划分为基体和块石两相复合材料。基于剪应力绕流效应和Eshelby-Mori-Tanaka等效夹杂平均应力原理建立考虑块石转动位移的土石混合料细观抗剪强度理论模型。制备不同块石含量的土石混合料工程原位试样进行3组现场大型直剪试验,分析块石含量对土石混合料抗剪强度的影响规律并确定模型参数。试验结果和理论研究均表明:块石显著影响土石混合料的变形特征且土石混合料的抗剪强度随块石含量的增加而增加。基体的剪应力绕流效应诱发块石产生转动抗力和基体出现应力集中而导致土石混合料在变形时比纯基体材料储存或释放更多的能量,是块石对土石混合料抗剪强度增益的细观物理机制。基于细观物理机制的土石混合料剪应力-剪切位移计算公式,初步验证了理论预测与试验结果的一致性。     

基于随机多尺度力学模型的混凝土力学特性研究

提出一种混凝土材料宏观力学特性分析的新方法--随机多尺度力学模型分析方法.从描述混凝土材料的细观尺度入手,首先采用Monte Carlo法生成由骨料颗粒及砂浆基质组成的混凝土试件的随机骨料模型;然后采用材料特征单元尺度法来剖分有限元网格并投影到建立的随机骨料模型上,各单元网格的力学特性则采用复合材料等效化方法来确定.通...     

块石含量和空间分布对土石混合体抗剪强度影响的离散元分析

土石混合体的抗剪强度在很大程度上取决于其块石的含量、空间分布、形态等参数。该文采用球体单元模拟土颗粒,通过组合颗粒单元构造非规则形态的块石,对不同含石量和块石空间分布下土石混合体的直剪过程进行了离散元数值模拟。计算结果表明,在低含石量下,土石混合体的抗剪强度随含石量的增加而增加;在中含石量下,受块石空间分布的影响,其抗剪强度呈现很强的波动性;在高含石量下,其抗剪强度显著增强,波动性相对较小。抗剪强度在中高含石量下波动现象的细观机理是块石空间分布影响下的力链结构特性。当块石的空间分布使其形成较强力链结构时,抗剪强度较高;反之,块石间的力链结构不稳定,抗剪强度相对较低。以上研究有助于从细观尺度揭示土石混合体变形和剪切强度特性的内在机理。     

基于细观力学的沥青混合料动态模量预测

为了建立能够表征组分材料性能及细观结构特征的沥青混合料动态模量预测模型, 根据复合材料细观力学理论, 将沥青混合料视为由沥青胶浆包裹的集料颗粒嵌入于有效沥青混合料介质中的复合材料, 考虑集料尺寸、级配组成和空隙的影响, 建立了沥青混合料动态模量三相细观力学预测模型。结合组分材料性能研究, 应用该预测模型求解得到了动态模量, 其与试验值比较结果表明, 预测值较试验值小, 产生此差异的原因可归结为模型的适用条件与真实细观结构的差别;据此对预测模型进行了修正, 提出了考虑沥青膜厚度的动态模量细观力学分析方法;鉴于集料与沥青胶浆之间的力学特性差异, 简化了预测模型求解参数, 给出了参数值的范围。     

力学损伤混凝土热传导行为细观研究

为研究力学损伤对温度传导行为的影响,考虑混凝土细观结构的非均质性,将其视为由骨料、砂浆和界面过渡区组成的三相复合材料,提出并建立了力学-热学单向耦合作用研究的细观数值方法与模型。方法的思想是:首先对非均质混凝土在荷载作用下开裂损伤力学行为模拟分析,获得其内部的损伤分布情况;然后,将力学分析结果作为初始输入条件,结合复合材料均匀化理论,获得损伤混凝土各细观单元的导热性能,从而实现了力学-热学单向耦合作用的数值模拟。以单轴压缩加载为例,通过与试验结果的对比,验证细观方法的合理性与有效性。基于该套细观数值模拟方法,对荷载作用后混凝土试件的宏观有效导热系数与温度场分布进行了细观计算分析,对比了不同复合材料力学模型的影响,探讨分析了压缩荷载水平的影响规律。     

考虑孔隙及微裂纹影响的混凝土宏观力学特性研究

混凝土是一种典型的多孔介质材料,孔隙分布错综复杂,孔径尺寸跨越微观尺度和宏观尺度,对混凝土弹性模量及强度等力学参数产生巨大影响.认为混凝土是由骨料、孔隙及砂浆基质组成的三相复合材料,采用Monte Carlo 法将孔隙、微裂纹及微缺陷与骨料颗粒随机投放在砂浆基质中.根据三相球模型及中空圆柱形杆件模型得到含孔材料的有效力学性质,并推导得到含孔材料的等效本构模型.建立含孔隙混凝土试件的细观单元等效化力学模型,对二级配含孔隙混凝土试件在单轴拉伸及压缩条件下的反应进行了非线性分析.结果表明:孔隙、微裂纹的存在对混凝土宏观弹性模量、强度及残余强度等力学性质都有很大影响,在对混凝土宏观力学特性分析及研究混凝土损伤断裂时不应忽略其影响.     

基于三维扫描技术的土石混合体离散元模型参数反演及直剪模拟

利用三维扫描技术构建不同粒径的真实块石形状数据库,并建立不同含石量的土石混合体离散元随机模型.采用正交试验设计原理,分析试样宏细观参数间力学敏感性并建立两者的线性方程,结合物理试验对模型进行参数标定.对不同法向应力、不同含石量的土石混合体进行直剪模拟,结果表明:岩土体在剪切过程中,剪应力逐渐增大,变形先剪缩后剪胀;增加法向应力,试样抗剪强度提高,剪缩程度增大,但初始模量变化微弱;低含石量下剪力无明显峰值,应变硬化现象显著,变形以剪缩为主,随着含石量增加,初始模量及抗剪强度升高,高含石量下出现应力峰值,之后表现为应变软化,剪胀性突出.土石混合体增加法向应力或含石量,均会提高其初始配位数和力链强度,其中增加法向应力,配位数整体水平上升;在剪切过程中,低含石量下配位数呈递增趋势,高含石量下配位数逐渐减小,配位数不会持续增或减,当达到临界值时与试样体积一同趋于稳定;含石量越大剪切带越宽厚,剪切面周围速度及位移变化梯度较大,剪切中后期试样内出现逆时针涡旋速度场;动剪切盒内配位数较大,静剪切盒内配位数较小,剪切带处配位数波动幅度最大;岩土体中弱力链散乱稀疏,强力链分布集中,剪切时力链强度先增大后减小,逐渐发散变粗并沿对角线延伸,最终贯穿剪切区域.     

双随机分布细观分析模型与复合材料性能预报

发展了一种细观力学有限元分析方法——拟真实的参数化双随机分布模型, 该模型综合考虑了纤维增强树脂基复合材料的真实微结构特点和纤维单丝综合力学性能测试结果的离散性特征, 模拟了复合材料中纤维排列和强度分布的随机性。借助移动窗口法研究了该参数化双随机分布模型的可靠性, 确定了其代表性体积单元的尺寸。基于能量法原理推导了单向复合材料的弹性模量预测公式, 结合能量法和渐进失效分析方法, 利用该细观力学有限元方法分别预测了单向纤维增强树脂基复合材料T300/5228的弹性模量和强度性能。数值模拟结果和大部分试验结果吻合良好, 表明发展的细观力学有限元方法能够较好地预测复合材料的力学性能。      

考虑围压对粗粒土蠕变特性影响的Burgers模型参数修正方法研究

传统的Burgers模型假设只有偏应力引起蠕变,而没有考虑围压对蠕变特性的影响,因此其主要用于描述岩石的蠕变特性。但不同于岩石,堆石料等粗粒土是由颗粒集合而成的摩擦型材料,其蠕变特性与围压密切相关。为了考虑围压对粗粒土蠕变特性的影响,该文首先推导了Burgers模型的三轴蠕变理论解,并根据各参数物理意义,提出一套简便实用的参数反演方法,用于获取同一围压不同偏应力下粗粒土的Burgers模型参数;进而总结并分析不同粗粒土的三轴蠕变实验结果,发现幂函数能较好地描述Burgers模型各参数随围压变化的规律;在此基础上,提出考虑围压对粗粒土蠕变特性影响的Burgers模型参数修正方法,并通过三组粗粒土的蠕变实验结果验证了所提方法的有效性。     

Microstructural study of material removal mechanisms observed in abrasive waterjet cutting of calcareous stones

An experimental study was conducted to determine the influence of material properties on the cutting mechanisms involved in abrasive waterjet (AWJ) of calcareous stones. SEM analysis was performed to investigate the material removal mechanisms. Two Portuguese calcareous stones were tested with different genesis and thus structural and mechanical characteristics.

It was found that rock hardness and porosity have a significant effect on the cutting mechanisms investigated. In harder homogeneous rocks, like marbles, cutting occurs due to intergranular cracking and cleavage of calcitic grains. In limestones, the material removal process mostly involves intergranular cracking and material sliding along the argilous matrix and between this and calcitic grains. Plastic deformation of the matrix can also be observed.     

基于计算接触力学的粗颗粒土体材料细观性质模拟

采用离散元等数值模拟方法研究粗颗粒土体材料的细观力学行为,是近年来岩土力学的热点研究课题。提出了一种基于计算接触力学的粗颗粒土体材料细观力学行为模拟分析新方法。该法将土体颗粒剖分成一定数量的单元,通过计算接触力学方法模拟颗粒间的多体接触行为,是一种基于有限元变分原理的隐式数值求解方法,具有严格的理论基础。和离散元法方法相比,该方法在描述颗粒本身的力学特性方面具有优势,可以计算得到颗粒内部的应力分布情况,从而为颗粒破碎等细观行为的模拟计算提供依据。利用所发展的粗颗粒土体多体接触有限元计算程序,进行了不同围压的常规三轴数值试验,模拟计算结果符合粗颗粒土体材料三轴试验的一般规律,初步验证了所提出的计算方法的适用性。     

FEM simulations of tensile deformation and fracture analysis for CuW alloys at mesoscopic level

Considering the mechanical properties and fracture mechanism of CuW alloys determined by microstructures, finite element method (FEM) is employed to analyze the mesoscopic model using Voronoi tessellation technology. Heterogeneous plastic strain and stress distributions are obtained at mesoscopic level in order to reveal the deformation process and fracture mechanism of CuW alloys. Shear bands or microcracks induced by shear band appear at the Cu/W and W/W interfaces mostly, and then propagate along the interfaces. Therefore, mechanical strength of CuW alloys is determined by sintering neck mainly. Additionally, the microstructures of fracture surfaces are applied to verify the simulation results.     

Composites with auxetic inclusions showing both an auxetic behavior and enhancement of their mechanical properties

Composite materials made of auxetic inclusions and giving rise overall to negative Poisson’s ratio are considered, adopting a two-steps micromechanical approach for the calculation of their effective mechanical properties. The inclusions consist of periodic beam lattices, whose equivalent mechanical properties are calculated by a discrete homogenization scheme in a first step. The hexachiral and hexagonal reentrant lattices are considered as representative of the two main deformation mechanisms responsible for auxeticity. In a second step, the equivalent properties of the composite are calculated from numerical homogenization using the finite element method. It is shown that both an auxetic behavior and enhanced moduli can be obtained for not too slender micro-beams.     

钢筋混凝土柱偏心受压力学性能的细观数值研究

钢筋混凝土构件的宏观力学性能由其组分-钢筋和混凝土两部分的力学性能决定。结合混凝土细观结构形式,认为混凝土是由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的复合材料,假定钢筋与混凝土之间完好粘结,基于钢筋混凝土柱偏心受压试验,建立了钢筋混凝土柱偏心受压加载下力学特性及破坏行为研究的细观尺度力学分析模型。通过对混凝土方形和矩形试件进行受压力学特性模拟,采用反演法确定了界面的力学参数,进而模拟了钢筋混凝土柱偏心受压加载下的宏观力学性能。结果表明,相比于宏观尺度模型,细观数值分析模型能够充分体现材料的非均质性,能够较好的模拟试件的宏观力学性能,并且能够细致的描述裂缝发展及试件破坏过程,与试验结果吻合良好。该文建立的细观尺度分析模型与方法,为钢筋混凝土构件层次宏观力学非线性及其尺寸效应研究提供了理论支持。     

Tensile Deformation Properties of Corrugated Style Fiber Reinforced Composite Skin for a Morphing Wing

A type of skin structure which is made by a Circular Arc Corrugated Style Fiber Reinforced Composite(CACSFRC)is proposed to meet the requirements of the large and continuous deformation and high load capacity of a morphing wing skin.A mechanical model is developed to predict the tensile deformation properties and equivalent elastic modulus of the composite skin.Corrugated and plane skin samples are manufactured and tested.The theoretical analysis and tension tests show that CCSFRC skin has markedly much mor...