Effect of rock composition microstructure and pore characteristics on its rock mechanics properties

This paper is to study the influence of composition, microstructure and pore characteristics on the rock mechanical properties. Five kinds of sandstone compositions were analyzed by using X-ray diffraction instrument. And the microstructure was observed by using scanning electron microscope. Then the pore distribution characteristic was investigated by using the low field nuclear magnetic resonance equipment. Finally, the uniaxial compression test was carried out to investigate the mechanical characteristics by using RMT150C mechanics experimental system and the uniaxial compressive strength, Poisson's ratio and elastic modulus were obtained. Compared to the analysis of the composition, structure and pore distribution and mechanical properties of the five kinds of sandstones, the relationship among composition,structure, pore distribution and mechanical properties was obtained. The results show that the composition, microstructure, pore distribution and mechanical properties of sandstone are closely related.With the decrease of feldspar and quartz particles, the compressive strength and elastic modulus increase, while the porosity decreases.     

Prony级数形式的形状记忆聚合物有限应变黏弹性本构模型

为考察形状记忆聚合物（SMPs）的有限应变力学特性,将SMPs材料的弹性响应采用Neo-Hookean超弹性本构方程描述,黏性响应采用Prony级数描述,从经典遗传积分形式的黏弹性本构方程出发,推导出有限应变格式的黏弹性本构方程和相应的材料参数拟合公式.采用环氧基形状记忆树脂（ESMP）进行拉伸-松弛试验,利用推导的公式进行非线性拟合得到本构方程的参数.对不同温度下ESMP的黏弹性力学特性进行试验研究,表明在试验温度范围内随温度升高ESMP的初始模量降低,初始模量中黏性部分所占比例降低,但弹性部分模量值基本不变.针对三维的SMPs结构分析问题,基于所推导本构,应用ABAQUS软件建立数值模拟方法.对拉伸-松弛试验进行数值模拟,结果表明所推导的本构方程用于SMPs的大应变分析中具有较高准确性.此外,所推导的有限应变黏弹性本构方程及参数拟合公式也适用于具有黏弹性特点的其他各向同性高聚物.     

基于RFPA的砾石对砂砾岩破裂影响规律研究

为研究砾石尺寸及强度特征对砂砾岩裂纹扩展模式和力学参数的影响。采用岩石破裂过程模拟系统RFPA,建立了非均质的砂砾岩岩心模型,研究了砾石尺寸及力学性质变化对砂砾岩岩心抗压强度、杨氏模量、泊松比等弹性力学参数的变化规律。结果表明,随砾石尺寸的增加,岩心模型的泊松比与杨氏模量逐渐增加,强度先减小后增大,且不同砾石尺寸的岩心裂纹形态基本一致;随砾石强度的增大,岩石单轴抗压强度逐渐增大,而后基本保持不变,主要由基质强度决定。研究结果真实再现了砂砾岩裂纹萌生、扩展过程,得到了砾石尺寸及强度对岩心破裂的影响规律。     

基于实测变形的三峡工程二期上游围堰防渗墙抗弯性能

针对三峡工程二期围堰防渗墙运行期间的较大变形,基于现场实测变形资料,对其抗弯性能进行了反馈分析研究,以评价其安全性.由实测变形资料分析可知,防渗墙的工作机理可以看成是弹性地基中的一道弹性梁,故假定堰体中的防渗墙服从弹性梁的受力特性,由此计算出防渗墙沿墙高各点的位移值和各截面的弯矩值,进而可以计算出截面上的拉压应力.计算发现,防渗墙的弯矩值随着塑性混凝土弹性模量的增加而增加.弹性模量分别等于500、700和15 00MPa时,由此引起的墙身最大拉应力分别不大于0.34、0.479和1.027MPa,满足安全要求.从弯矩分布图及应力分布图可知,防渗墙的最危险部位出现在其底部区域,墙体上应力分布和悬臂梁类似.     

钢-混凝土连续组合梁腹板局部屈曲分析

对连续组合梁负弯矩区钢腹板的稳定性进行了研究,分析了负弯矩区钢梁腹板在弯曲、轴向压力和剪切作用下的力学性能,提出了组合梁腹板在各种荷载作用下的局部稳定性简化计算模型,建立了非均匀受压、纯剪和弯剪复合受力状态下的临界屈曲应力计算公式;分别计算了钢梁腹板在非均匀受压和纯剪状态下的弹性屈曲系数,并根据偏心受压与剪切作用下的相关方程计算了钢梁腹板在复杂应力状态下的弹性屈曲系数;基于屈曲分析结果,提出了组合梁在弹性受力阶段钢梁腹板不设横向加劲肋的高厚比限值。结果表明：采用该方法确定的钢梁腹板高厚比更具合理性,且计算过程简单,结果偏于安全。     

煤层上覆岩层力学性质随赋存深度变化试验

为获得煤层上覆岩层力学性质随赋存深度变化的规律,钻孔选取从地表到煤层的所有完整岩石,通过室内力学试验获取相应力学参数.试验结果表明:试样的天然密度、抗拉强度、单轴抗压强度和弹性模量等随着赋存深度增加而增大,吸水率、泊松比随着赋存深度增加而减小;试样力学性质除了与赋存深度有关外,还与岩性有直接关系;试验数据的离散性随着赋存深度增加而增大.造成试验数据离散性的原因除构造应力、煤层采动及温度影响外,主要是砂岩等沉积岩试样内部颗粒随着应力解除而重新耦合.     

改性速生杨木抗压性能试验研究

速生杨木在中国种植范围广,但由于力学性能差、变形大等缺点,其应用受到很大限制,迫切需要对速生杨木进行改性处理。主要考虑不同板材厚度（5、10、15、20 mm）和不同纹理（径向、弦向）两个因素对改性速生杨木进行力学性能试验研究。试验表明：随着板材厚度的减小,试件破坏由单个斜截面破坏至连续斜截面破坏,再到水平压皱破坏,最后出现双曲破坏和单板弯曲破坏。不同板材厚度改性试件抗压试验中,与对比试件相比,改性试件的力学性能有较大提高,且随着板材厚度的减小,试件的抗压强度、峰值压应变、弹性模量等均显著增大。不同纹理组合改性试件抗压试验中,弦向与弦向纹理组合试件力学性能最优,其次为径向与径向纹理组合试件,最低为弦向与径向纹理组合试件。同时,在顺纹加顺纹的纹理组合方式下,与对比试件相比改性试件的抗压强度、峰值压应变、弹性模量等均有提高显著;在顺纹加横纹的纹理组合方式下,改性试件的抗压强度和弹性模量反而有所降低。     

Research of Elastic and Elastic-Plastic Deformation on Bending Problems of Variable Stiffness Beams

关于抗弯刚度变化的弯曲梁弹塑性变形问题的研究

黄磊,侯增选,张迪婧,赵有航

（大连理工大学 机械工程学院,大连 116024）

摘要：

本文构建一种新的可变刚度悬臂梁力学模型,以用于深入分析任意变刚度梁的弹性塑性弯曲问题。首先设定所要分析的梁是一种理想的各项同性的弹塑性材料,并且梁的各项材料参数如弹性模量惯性矩等均沿梁的轴线方向不断变化,同时考虑剪切对梁弯曲变形的影响。当梁在受到垂直集中力作用于梁的自由端时,分别给出在弹性阶段、塑性阶段全梁的挠度、转角微分方程。对于刚度任意变化的塑性阶段的变形分析,本文采用一种优化的微分求积分进行数值求解。最后分别通过MATLAB数值计算、DQM计算和abaqus有限元仿真分别分析了弯曲刚度轴向变化对悬臂梁的弹塑性变形的影响。数值仿真结果验证了该力学模型的实用性,并通过将微分求积法DQM的计算结果与有限元法的计算结果进行精度和效率的比较,结果表明DQM法在变刚度梁的复杂弹塑性行为的分析中不失为一种十分有效的科学方法。

关键词：剪切变形;弯曲问题;可变刚度;横截面;DQM法;弹塑性变形

     

微膨胀钢管混凝土双肢柱试验研究与数值模拟

通过试验研究与数值模拟的方法,确定微膨胀C50圆端形钢管混凝土的应力应变关系,并结合工程实例,用泊松比的变化来模拟核心混凝土的微膨胀效应,分析施工中圆端形钢管混凝土双肢柱在轴心受压和偏心受压两种情形下的受力性能.分析结果表明,在考虑混凝土泊松比变化情况下,极限承载力比不考虑混凝土泊松比变化时的计算值高;这种结构在轴心受压时,应力变化很小;在承受偏心荷载时,应力增幅较大,且能充分利用其结构形式上的特点.     

Influence of the morphology on mechanical properties of toughened epoxies with CTBN

0　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＵｎｍｏｄｉｆｉｅｄｅｐｏｘｉｅｓａｒｅｂｒｉｔｔｌｅｐｏｌｙｍｅｒｓｗｉｔｈｐｏｏｒｒｅ ｓｉｓｔａｎｃｅｔｏｃｒａｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ .Ａｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅｉｎｃｒｅａｓｅｉｎｔｈｅｃｒａｃｋｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｇｅｎｅｒａｔｉｎｇａｐａｒｔｉｃｕ ｌａｔｅ ｄｉｓｐｅｒｓｅｄｓｅｃｏｎｄｐｈａｓｅ .Ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｃｅｏｆａｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｏｆｒｕｂｂｅｒｙｐａｒｔｉｃｌｅｓｗｉｔｈｓｉｚｅｓｉｎｔｈｅｒａｎｇｅ 0 .1～ 5μ…     

应变速率对注浆体力学特性影响规律

为研究微震荷载作用下注浆加固体力学特性,以裂隙倾角30°、宽度4 mm的红砂岩裂隙注浆体为研究对象,借助岩石三轴伺服压力机进行变应变速率(10^-5 ~5×10^-3 s^-1)单轴压缩试验;然后从能量耗散、裂纹扩展及破坏形态等3个方面,分析变应变速率对注浆体力学特性的影响规律及机理. 研究表明:随着应变速率的增加,注浆体的峰值强度、弹性模量均随之而增大;且峰值强度与应变速率呈指数函数关系变化;注浆体受应变速率影响的响应分为敏感应变速率阶段和滞缓应变速率阶段,主要差异在于峰值强度变化率和弹性模量变化率;随着应变速率的增大,注浆体的总能量在增大;压密阶段是影响不同应变速率下注浆体力学特性的主要阶段;敏感应变速率阶段和滞缓应变率阶段中的压密阶段主要区别在于积散比大小,积散比进一步决定产生裂纹的多少和分布区域与规律;耗散能密度对注浆体破坏脱落面积以及粒径分布影响较大,耗散能密度越大,碎块越以大块为主(粒径大的比率逐渐增加),滞缓应变率阶段耗散能密度较敏感应变率阶段大,其破碎块体较敏感应变率阶段大. 研究在裂隙注浆加固体的变应变速率影响下力学特性,从能理原理、分形理论角度得到了其影响机理.     

高地应力下砂岩力学参数和波速变化规律试验研究

基于波动方程,提出一种砂岩的纵波波速与静水围压关系的数学模型。在岩石常规三轴试验的基础上得到不同静水围压下砂岩的静弹性模量、静泊松比和纵波波速,并分别拟合得到静弹性模量-静水围压和静泊松比-静水围压关系的拟合曲线和拟合公式。试验结果表明,砂岩的静弹性模量和静泊松比随静水围压的增大而增加,且静弹性模量增加速率缓慢减少。基于波动方程求解得到纵波波速-静水围压关系的数学模型,利用数学模型计算得到的纵波波速可知,砂岩的纵波波速随静水围压的增大而增大,且增加速率逐渐变缓。计算得到的纵波波速与试验测得的纵波波速进行对比验证,误差范围为7.0%~8.3%,故基于波动方程求解的砂岩纵波波速-静水围压关系的数学模型可靠性和准确性较高,对高地应力下岩石的物理力学参数和波速变化规律的分析判定具有指导意义。     

4D printing of personalized shape memory polymer vascular stents with negative Poisson’s ratio structure: A preliminary study

Four-dimensional(4D) printing, integrates transformation information into three-dimensional(3D)-printed structures, which means that 3D-printed structures are able to change their shapes, properties, or functionalities over time. Here, two types of shape memory personalized vascular stents with negative Poisson's ratio structure are developed via 4D printing. The genetic algorithm is used to optimize the structure. Axial compression tests, radial compression tests and three-point bending tests are carried out to study the mechanical properties of the stents. In addition, fluid-structure interaction and stress distribution during the shape recovery process are investigated based on finite element method. The shape memory behaviors of the stents are excellent and in vitro feasibility tests demonstrate that the stents can expand the simulated narrow blood vessel rapidly. Therefore, 4D printed shape memory stents with negative Poisson's ratio structure are highly promising for the treatment of vascular stenosis.     

Effects of high temperature on the microstructure and mechanical behavior of hard coal

Coal is a common porous sedimentary rock whose microstructure and mechanical behavior are often affected by high temperature. In order to deeply investigate the effect of high temperature on the structure and mechanical properties of coal, six groups of coal samples with different heating temperatures were prepared. Various testing methods, including ultrasonic test, scanning electron microscopy, nuclear magnetic resonance and uniaxial compression test, were used in this study. The results showed that the physical and chemical change processes of coal samples under high temperature can be divided into two stages: the stage of drying and degassing and the stage of pyrolysis of the coal matrix. With the increase of heating temperature, the total porosity of coal samples increases, while the integrity and the deformation resistance of coal samples decrease. In addition, the elastic modulus and uniaxial compressive strength of the coal sample decrease with the increase of heating temperature. The Poisson's ratio decreases firstly and then increases with the increase of heating temperature.     

玻璃纤维混凝土的力学性能研究

通过力学试验,研究不同纤维掺量的玻璃纤维混凝土的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比等力学性能,并提出了玻璃纤维混凝土力学性能的其他影响因素,为玻璃纤维混凝土这种新型材料的推广使用提供了可供参考的实验结果。     

混凝土单轴动态抗拉特性的试验研究

在应用过程中,混凝土结构肯定要受到动态荷载的作用,而混凝土材料的动态力学特性与静态情况下有非常大的区别.为了考察动态荷载作用下混凝土的抗拉特性,本文应用MTS试验机,对C40混凝土在应变速率为10-5/s～10-2/s范围内进行单轴动态拉伸试验,系统研究了不同应变速率下混凝土的抗拉强度、弹性模量、峰值应变等抗拉力学特性,并分析了应变速率对混凝土抗拉强度、弹性模量等的影响规律.试验结果表明:混凝土抗拉强度、弹性模量会随应变速率的增加而增加,泊松比离散性比较大,规律不明显,动态受拉应力应变曲线与静态相似.这些成果可以为混凝土的结构设计提供技术参数.     

镍铁渣–黏土–水泥改性土力学特性试验及修正的邓肯–张模型

为研究镍铁渣-黏土-水泥(FNSCC)改性土的力学特性,开展了不同镍铁渣掺入比、含水率及养护时间下FNSCC改性土不固结不排水三轴压缩试验;获得了不同工况下FNSCC改性土试样的应力-应变关系曲线及割线弹性模量,分析了其力学特性影响机理及破坏模式,基于试验结果,建立了适用于FNSCC改性土的修正邓肯-张本构模型。研究结果表明：FNSCC改性土的应力-应变曲线具有明显的应变软化特征;其峰值强度随镍铁渣掺入比减小和养护时间增长而增大,随含水率的增加先增大而后减小。随着镍铁渣掺入比的增大,FNSCC改性土试样的破坏模式由鼓胀破坏向剪切破坏转变;含水率为15%左右的试样,鼓胀破坏特别明显;而随养护时间增长,其破坏模式则由鼓胀变形等塑性破坏向局部张裂等脆性破坏转变。FNSCC改性土的割线弹性模量随轴向应变增加而减小,轴向应变小于2%时,镍铁渣掺入比、含水率及养护时间对割线弹性模量的影响较大;而当轴向应变大于2%后,各因素对割线弹性模量的影响很小。修正的邓肯-张模型能较好地反映FNSCC改性土的应变软化现象;该模型中参数m、n及?与围压近似呈线性关系,模型参数m受FNSCC改性土配比的影响最大,养护时间次之,含水率最小。由修正邓肯-张模型计算得到的曲线与实测曲线吻合较好,验证了该模型拟合参数的合理性。     

材料参数对短纤维增强金属基复合材料变形行为和性能的影响

运用大应变弹塑性有限元方法和修正混合律,研究了材料参数（纤维长径比、体积分数、根间距）对短纤维金属基复合材料变形行为和性能（弹性模量和屈服应力）的影响。研究结果表明,低应变阶段的应力应变分配系数与复合材料弹性模量之间存在确定的关系,预测的弹性模量与试验结果及Ｅｓｈｅｌｂｙ模型吻合得很好,屈服应力明显小于基体屈服强度。     

早龄期混凝土力学性能试验及其单轴本构模型

为了研究早龄期混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、静力受压弹性模量以及单轴受压应力应变曲线的规律,进行了系统的加载试验和试验数据分析.总结了早龄期阶段力学指标随龄期的变化规律以及与立方体抗压强度之间的换算关系,通过拟合相关参数,提出了分段式的受压应力应变全曲线拟合公式,拟合结果与试验数据吻合较好.试验结果表明,早龄期C40混凝土的强度和弹性模量随着龄期非线性增长,7 d是增长变化的分界时点;随着龄期的增长,峰值应变减少,脆性变大;早龄期C40混凝土的单轴受压应力应变曲线与充分养护龄期混凝土形状相似.     

关于3个力学常数关系的5种简证方法

各向同性材料一般都有3个力学弹性常数,即弹性模量E、泊松比ν和剪切弹性模量G。结合lamé常数、纯剪切应力状态、应变能密度等概念,利用广义胡克定律、主应变方向公式等,对它们之间存在的G=E2(1+ν)的关系给出了5种简明扼要的证明方法。