不同冲击速度下充填体破坏规律数值模拟研究

采用Ls-dyna数值模拟软件模拟分析了不同冲击速度下充填体破坏规律,确定了不同冲击速度下充填体的破坏形态。低速冲击下,充填体只有中心发生剪切破坏。高速冲击作用下,充填体两端首先发生剪切破坏,随后模型中心发生剪切破坏。随着冲击速度的增加,相邻单元点的速度差值不断增加,但对剪切应力峰值没有明显影响。冲击速度增加到230m/s后,剪切应力在峰值附近的作用时间逐渐变长,直至模型破坏。冲击速度低于230m/s时,剪切应力达到峰值后便逐渐降低,冲击速度越小,降低的速度越快。     

孔隙度变化对充填体动载冲击变形的影响

采用核磁共振仪测定不同浓度充填体试件在饱水状态下的孔隙度,并对充填体进行了动载冲击试验,结果表明:充填体的孔隙度与浓度存在关联,增加充填体的浓度可以有效减小其孔隙度;充填体处于弹性变形阶段时,孔隙度不同,其弹性模量也不同;充填体达到变形破坏时,屈服点应力值随孔隙度的增加而减小;而孔隙度越大,充填体达到变形破坏的时间越短,其峰值应力随孔隙度的增大而减小。     

胶结充填体受压性能的非均质细观损伤研究

基于细观力学,以灰砂比1∶8、料浆质量分数70%的尾砂胶结充填体为研究对象,建立满足Weibull统计分布规律的细观损伤演化方程和细观损伤本构方程,分析了不同均质度条件下的应力-应变曲线,并与实验曲线进行了比较。结合细观尺度破坏的数值计算,研究了胶结充填体细观损伤破坏机制。研究结果表明:建立的细观力学模型能够揭示充填体单轴条件下细观破坏机制;尾砂胶结充填体是一种低均质度的多项介质材料,峰值应力前具有明显的非线性特征,峰后残余应力具有持续降低特性;充填体的破坏是由细观单元损伤破坏导致的。     

灰砂比对尾砂充填体峰后承载阶段损伤演化研究

针对不同灰砂比对充填体残余损伤阶段损坏演化进行了研究,首先在试验机上进行不同灰砂比的全尾砂胶结充填体单轴压缩试验,得到不同灰砂比充填体在破坏过程中的应力-应变曲线,再运用损伤力学理论得出不同灰砂比充填体的损伤本构方程及损伤演化方程。分析实验结果可知:随着灰砂比降低,全尾砂胶结充填体峰值应力对应的损伤值降低;随着灰砂比增大,充填体峰后损伤值增大,即加快了充填体的破坏,但达到一定比例时,充填体损伤增长率降低,此时灰砂比抑制了充填体的破坏,临界灰砂比在1∶4~1∶8。     

CFRP汽车储气罐低速冲击损伤特性分析

将CFRP汽车储气罐的低速冲击过程作为研究对象,建立了CFRP汽车储气罐冲击损伤多尺度分析有限元模型。在宏观层面分析了储气罐工况、冲头质量、冲击速度及碳纤维增强树脂基复合材料中碳纤维的缠绕角度等因素,对储气罐冲击损伤特性的影响。在微观层面,研究了纤维增强相、树脂基体相及界面相等细观组分材料,对复合材料RVE模型的影响。结果表明,背离冲击一侧的复合材料损伤面积大于受冲击侧,损伤的形貌呈不规则分布。复合材料拉伸损伤起始单元的数量约为压缩损伤起始单元数的1/5。复合材料中,当碳纤维[90/90/90/90/90]环向缠绕时,储气罐抗冲击性能较好。复合材料中碳纤维含量约为55%时,CFRP汽车储气罐抗冲击性较优。界面厚度的增加,提高了复合材料的承载能力。     

基于声发射不同骨料含量胶结充填体损伤过程试验研究

利用RMT-150C型岩石力学测试系统与PCI-2声发射仪,对纯尾砂、骨料质量分数20%及40%三种胶结充填体试样进行单轴压缩破坏声发射监测试验,研究了3种不同骨料含量胶结充填体力学特性以及基于累计声发射事件率的损伤演化特征。试验结果表明:含骨料试样破坏脆性特征更加明显,同时骨料含量的变化在一定程度上影响了胶结充填体承载损伤演化速度,对其承载能力有较大影响;纯尾砂试样与含40%骨料试样在峰值应力前不同阶段均出现不同幅度的声发射活跃现象,可作为矿山充填体声发射监测破坏预警的前兆信息;适量骨料的加入可起到提升充填性能的作用,但声发射事件率作为预警前兆信息则可能失效。     

干燥及饱水充填体的动载破坏特性研究

为了研究不同料浆质量分数的饱水与干燥状态下的充填体在动载冲击下的力学特性,采用分离式霍普金森杆(SHPB)装置对其进行冲击加载,得出两种状态下的应力-应变曲线,并从损伤力学的角度利用Lemaitre应变等价原理与Mazars模型对试验数据进行分析。试验结果表明:料浆质量分数相同时,饱水状态下充填体的极限应力均小于干燥状态下的充填体,说明孔隙水压的存在使充填体更加容易破坏,同时饱水充填体料浆质量分数越大,其刚度越高,达到破坏应力时的变形量越小。在弹性变形阶段,干燥状态充填体更易损伤,在变形破坏阶段饱水状态充填体损伤程度要高于干燥状态,同时得出其损伤本构模型与损伤演化方程。     

充填体与不同厚度顶板围岩相互作用的声发射监测试验研究

为研究充填体与不同厚度顶板围岩组成的复合体在轴向荷载作用下的相互作用机理,设计了4种工况进行轴向加载作用下的AE试验。通过比较分析AE点分布、振铃计数变化、位移能与AE能量累加值的变化发现:顶板围岩厚度较大时,在承受竖向荷载作用下,充填体与顶板组成的复合体在无围压约束的情况下承载能力减小。当顶板围岩厚度增大1.5倍时,复合体的轴向承载能力由2.759 MPa降为1.848 MPa,减小了1.49倍。充填体具有储能和应力转移作用,在复合体承载过程中,应力被转移至充填体作为能量储存。加载过程中,复合体的AE点主要发生在应变协调变形较大区域。     

不同含水率纯尾砂胶结充填体强度及损伤模型分析

以某金属矿山尾砂、水泥制备成的纯尾砂胶结充填体为研究对象,利用RMT-150C型液压伺服控制系统、传感器采集系统,通过单轴压缩方式进行不同含水率充填体试样变形破坏过程强度试验.试验结果表明:完全干燥状态的试样强度最大,不同含水率对充填体的强度具有明显影响,含水率越高,单轴抗压强度越低.在弹性阶段,水对充填体试样的弹性模量有很大的影响,干燥状态脆性较大,曲线斜率较大,而含水后出现明显软化;水的作用降低了粒间的黏聚力和摩擦力;单轴抗压强度与含水率的定量关系呈多项式下降.不同含水率充填体具有不同损伤特性,水对干燥充填体损伤发展有抑制作用,但含水充填体含水率的增加会促进损伤发展.     

低速冲击下含金属内衬的纤维缠绕容器损伤特征

本文基于低速冲击动力学理论和复合材料层合结构损伤破坏准则,采用以不协调模式的八节点块三维有限单元法,研究了在空载和满载下含金属内衬的纤维缠绕容器在冲击下的力学行为,并预测了其冲击损伤分布。在分析中应用修正的Hertzian接触法则来计算在冲击载荷下冲击体和缠绕结构之间的接触力;在时域中采用Newm ark方法求解。通过典型数例研究结果表明,在相同能量的冲击载荷作用下,满载(内压)下的纤维缠绕容器较空载容器更易发生基体开裂和分层破坏。     

细观尺度下充填体损伤演化元胞自动机模型研究

为模拟单轴压缩条件下充填体损伤破坏过程,直观反映其细观结构的演化规律,建立了细观尺度下充填体损伤演化的元胞自动机模型。借助SEM图像推演充填体破坏阈值的分布,并采用阈值反比加权法确定摩尔邻居吸收能量的比率,在此基础上利用元胞自动机模型对试样进行单轴压缩模拟试验。模拟结果表明,充填体的损伤是集随机性和确定性于一身的行为,加载初期试样的损伤呈现出整体无序性,随着加载步数的推移,试样损伤演化逐步向局部有序化发展,峰值应力后试样损伤再次呈现整体无序性。充填体的应力、损伤值的演化曲线与实际试验结果基本吻合,二者仅在数值上略有差异,模型精度较高,可为充填体损伤演化过程的模拟提供一种新的思路。     

不同灰砂配比胶结材料组合体声发射特性EI北大核心CSCD

充填体是多相复合水泥基材料,被广泛应用于矿山采空区充填。为研究充填体在覆岩作用下的破坏规律,利用单轴压缩声发射试验研究不同灰砂配比的组合充填体受压条件下的声发射特性和材料裂隙演化。结果表明:尾砂占比对组合充填体的声发射特性存在显著影响,在破坏过程中组合充填体的声发射活动由冷缝及软弱面主导,并在试样79%~88%应力峰值时,声发射参数具有显著下降趋势;组合充填体在应力峰值前,声发射能量波动剧烈,b值平稳上升;应力峰值过后,声发射能量降低,b值迅速上升且剧烈地上下波动。利用声发射参数的变化规律可为充填体的破坏进行预测。     

硫对尾砂胶结充填体强度的影响研究

为探究硫含量对尾砂胶结充填体强度的影响,采用微观结构分析、XRD衍射分析对含硫尾砂胶结充填体的侵蚀机理进行了验证,并通过单轴压缩、巴西劈裂、剪切试验探究了硫含量对各含硫尾砂胶结充填体强度指标的影响规律,结果表明:含硫量的增加导致含硫充填体中石膏和钙矾石晶体成分增加,致使部分C-S-H凝胶分解;随着含硫量的增大,单轴抗压强度和峰值载荷、抗拉强度和峰值载荷、剪切强度和峰值载荷均明显降低,但并非线性变化。     

冲击角度对铝蜂窝夹芯板低速冲击性能的影响

为了研究冲击角度对铝蜂窝夹芯板低速冲击性能的影响,在ABAQUS中参照文献试验过程建立了铝蜂窝夹芯板受低速冲击的有限元模型,将仿真结果与文献试验结果进行对比以验证模型的可靠性,并进一步利用该模型研究了冲击角度对铝蜂窝夹芯板损伤、吸能、接触力峰值和接触时间以及切向滑移粘滞状态的影响。增大冲击角度发现:①铝蜂窝夹芯板的最大损伤深度减小,上蒙皮变形减小,沿着冲头滑动方向的蜂窝芯单元屈曲增多,但损伤减轻,下蒙皮几乎没有变形;②接触力峰值减小,接触时间增大;③铝蜂窝夹芯板吸能减小,其各部件吸能也分别缓慢减小,但始终保持上蒙皮大于蜂窝芯大于下蒙皮的趋势;④滑移时间增大,粘滞时间先减小后增大,粘滞时间占比先减小后快速增大,并在45°时粘滞时间占比最小。     

平纹编织碳纤维增强碳化硅复合材料低速冲击特性及冲击后的压缩强度

采用落锤冲击试验系统对平纹编织碳纤维增强碳化硅复合材料平板试样进行低速冲击,冲击能量为1.5～9J。冲击试验后,采用超声C扫描得到冲击损伤的大小。对含冲击损伤的试样进行压缩试验,通过与未冲击试样的压缩强度比较,得到冲击试样的剩余压缩强度。并对比了编织陶瓷基复合材料和树脂基复合材料的损伤阻抗和损伤容限。结果显示:随着冲击能量的增加,冲击力峰值、复合材料损伤面积和凹坑深度明显增加,到达峰值冲击力的时间减小。冲击能量的增加会导致冲击损伤面积的增加,而损伤面积的增加会导致剩余压缩强度的明显降低。相对于编织纤维增强树脂基复合材料,编织纤维增强陶瓷基复合材料的损伤阻抗较低,但损伤容限较高。     

柔性胺T403对环氧树脂体系力学性能及交联密度的影响

研究了T403含量对环氧树脂浇注体动静态力学性能和断裂面微现形貌的影响,并考察了有效交联点间分子量与浇注体性能的关系.结果显示,随着T403含量的增加,浇注体拉伸、弯曲强度减小,冲击强度增加,拉伸断裂面形貌粗糙程度增加,表明T403有增韧作用.理论交联点间分子量大于有效交联点间分子量,表明实际交联反应的复杂性.     

水致弱化影响下粉煤灰泡沫混凝土充填体性能试验研究

以普通硅酸盐水泥、发泡剂、粉煤灰和外加剂为原料,制备采空区充填材料.通过试验研究,在不同含水率影响下,充填体的强度特性、应力-应变特性和变形特性.研究结果表明:自由水对充填体力学性能弱化较为明显.具体表现为:随含水率增加,制备的充填体试件抗压强度、抗剪强度递减,前期递减幅度较大,后期较小;充填体峰值强度、峰后残余强度以及延性均随含水率增加而递减;随含水率的增加,弹性模量降低幅度较大,泊松比变化幅度较小,剪切模量和体弹性模量均减小,水弱化影响下充填体会产生进一步压缩.     

记及压应力的内聚力单元及其厚度对复合材料分层损伤预测的影响

内聚力单元可以同时预测分层的起始和扩展,但单元尺寸对计算结果影响较大,而且无法模拟压应力导致的界面失效。首先,建立不同内聚力单元计算厚度的双悬臂梁模型、端边加载模型和冲击动力学模型,模拟分层损伤演化过程,研究内聚力单元厚度对载荷-位移曲线和界面损伤面积的影响;然后,通过子程序自定义内聚力单元的本构关系,考虑压缩应力引起的复合材料层间界面失效;最后,分析考虑压应力引起的界面层失效对复合材料冲击响应的影响。计算结果表明:内聚力单元厚度对界面层的损伤面积影响明显;相同的载荷条件下,内聚力单元厚度越大,界面损伤面积越小;考虑压缩应力引起的界面层失效,界面损伤面积较大且界面失效包含压缩和剪切两种失效模式。     

土层锚固体界面层厚度的选择

随着我国基础设施建设力度加大,锚固技术飞速发展,但其理论研究相对滞后。本文根据锚固体破坏特征介绍了界面破坏的概念,提出了适用于数值模拟的复合界面单元,该复合界面单元由实体单元和接触单元组成,其中实体单元体现锚杆拉拔时对周围土体的体胀特性,接触单元作为锚固体与土体之间的滑动摩擦单元。着重研究了新型复合界面单元的厚度选取,利用ANSYS数值模拟软件,从微观方面,模拟出了接触面的塑性贯通区,即界面层厚度;从宏观方面,模拟土层锚杆在不同界面层厚度下的力学特征,若界面层厚度选取过大,平均剪应力减小,反之,选取厚度过小,同等荷载小下,锚固体和土体相对错动位移增大;从土层锚杆室内现场试验方面,得出了在特定材料性质下的界面层厚度。     

爆炸冲击作用下岩石损伤规律的试验研究

为了探讨岩石在爆炸冲击作用下的损伤规律,在石灰岩模型中进行了不堵塞爆炸实验,并在爆炸前后利用超声波测试技术和CT成像技术,对模型进行了声波测试和波速分布重构。实验结果表明,岩石径向爆炸冲击损伤以炮孔为中心向四周衰减,衰减速度随岩石到爆点中心的距离而变化,距炮孔中心位置3倍孔径内损伤降低最快,3倍孔径外损伤降低缓慢;炮孔轴向损伤随模型高度降低呈单调递减的趋势,靠近装药位置变化梯度最大,靠后变化梯度趋于平缓。