围压条件下砂岩循环冲击损伤的力学与超声分析

采用带围压装置的φ100mm霍普金森压杆系统,对砂岩试样进行了单轴冲击和4MPa、20MPa围压条件下的循环冲击试验,并对每次冲击前后的砂岩试样进行超声纵波检测,分析了砂岩在冲击荷载循环作用下的应力、应变特征,定义了砂岩试样的屈服-弹性比用以描述围压下试样应力应变曲线的弹塑性特征,采用纵波波速定义了砂岩试样的冲击损伤并分析了循环冲击试验中砂岩试样纵波波速和应力应变之间的关系。分析发现：在围压作用下,应力－应变曲线呈现典型的弹塑性特征。随着冲击荷载循环作用次数的增加,砂岩试样屈服应力、峰值应力降低,屈服应变、峰值应变增加。随着循环冲击作用次数的增加,砂岩试样的应力、应变特征与纵波波速之间存在良好的相关关系。较低围压状态下累计损伤度明显高于较高围压下砂岩的累积损伤,砂岩循环冲击损伤具有明显的围压效应。研究结果对地下工程的建设和防护有一定的指导意义。     

ECC单轴受拉损伤本构模型研究EI北大核心CSCD

通过单轴拉伸试验,讨论了PVA纤维体积掺入量和水胶比对工程用水泥基复合材料(ECC)受拉力学性能参数(开裂应变、开裂应力、峰值应变、峰值应力、极限应变以及应力-应变关系曲线)的影响规律。基于此,从损伤力学的角度讨论了ECC在单轴受拉过程的开裂前阶段、应变硬化阶段以及应变软化阶段的损伤演化机制。进而,基于ECC受拉损伤演化机制提出ECC受拉损伤本构模型,并给出模型相关参数的计算方法,分析表明:该文提出损伤模型得到的ECC受拉损伤演化曲线能更为合理的描述ECC的损伤演化全过程。最后,该文损伤模型计算的ECC受拉应力-应变关系曲线和试验曲线对比结果表明,所提出的模型能够合理的描述ECC受拉非线性应力-应变关系特征,且具有良好的精度。     

AFRP约束混凝土多次冲击试验研究

为研究芳纶纤维增强层复合材料（AFRP）约束条件下混凝土抗多次冲击的动态力学性能,采用Ф100 mmSHPB试验装置和超声无损检测,在相似应变率条件下,对C30,C40,C50三种基体强度等级的1~3层AFRP约束混凝土抗多次冲击动态力学性能和冲击后混凝土试件内部损伤规律进行试验研究。结果表明：各约束层数AFRP约束混凝土动态峰值应力对冲击次数不敏感,上下浮动不超过8%,稳定性良好;随着冲击次数的增加,动态峰值应变增大,内部混凝土损伤增大,损伤因子与冲击次数呈线性关系;AFRP约束混凝土内部损伤在达到普通混凝土极限损伤后仍能保持试件完整,具备对抗下次冲击的能力。     

冻结状态聚乙烯醇纤维/水泥基复合材料抗压本构模型

为了研究冻融循环后的聚乙烯醇纤维/水泥基复合材料在冻结状态下的抗压服役情况,设计了冻结聚乙烯醇纤维/水泥基复合材料抗压试验,先对试样进行0～300次的冻融循环,冻融循环试验后在-18℃的持续低温环境下对试样进行抗压试验,分析试样的抗压应力-应变关系及影响机制。在此基础上,结合等效应力原理和统计损伤理论,建立了冻结状态聚乙烯醇纤维/水泥基复合材料抗压本构模型,讨论了损伤变量随冻融循环次数的演化特征。结果表明：随着冻融循环次数的增加,冻结状态下聚乙烯醇纤维/水泥基复合材料的抗压峰值强度降低,峰值应变增加,极限破坏时脆性特征显著,高冻融循环次数下试样的弹性模量主要由试样中的孔隙冰来提供。建立的模型可以较好地预测实际经受冻融循环作用后的聚乙烯醇纤维/水泥基复合材料在冻结状态下的抗压应力-应变关系,冻融损伤变量和总损伤变量与冻融次数有显著相关性。     

纳米二氧化硅改性超高韧性水泥基复合材料冲击压缩试验研究

该文采用Ф80 mm的分离式霍普金森压杆装置,研究了纳米改性后的UHTCC（ultra high toughness cementitious composites）在高速冲击压缩应力状态下的力学响应,并与常规UHTCC材料、钢纤维混凝土进行了对比。试验得到了各组材料在准静态和动态共计4组应变率（2.36×10-5 s-1、120 s-1、160 s-1、200 s-1）下的准静态压缩强度及冲击压缩应力-应变曲线,并计算了各组试件的耗能能力。为了进一步优化材料的抗冲击性能,该文还研究了纳米改性后的UHTCC基体中钢纤维和PVA纤维的混杂效果。试验结果表明:5组材料均具有应变率敏感性,峰值应力和耗能能力随着应变率的增大而上升;经过纳米改性后的UHTCC材料冲击压缩力学强度及耗能能力明显提高;在冲击荷载下,钢纤维和PVA纤维产生正混杂效应,提高钢纤维掺量可以强化UHTCC的抗冲击能力;应变率的大小和钢纤维的掺量之间的关系影响了动态峰值应力的提升。     

冻融和热冲击循环作用后红砂岩SHPB试验和本构模型研究EI北大核心CSCD

为研究冻融(freeze-thaw,F-T)循环和热冲击(thermal-shock,T-S)循环对红砂岩动态力学性能的影响。利用直径50 mm的分离式Hopkinson压杆试验装置,对长径比为0.5的红砂岩试件开展F-T循环和T-S循环后的冲击压缩试验,对比分析了F-T循环和T-S循环次数对红砂岩动态力学参数和微观结构的影响。试验结果表明:红砂岩的动态应力-应变曲线可分为弹性、塑性和破坏阶段;其纵波波速、干密度、动态峰值应力、弹性模量、平均破碎块度均随循环次数的增加逐渐下降,而孔隙率、峰值应变、吸收能、比能量吸收值、质量分形维数则逐渐增大;通过对比岩石微观形貌特征发现,相同循环次数条件下,T-S循环对红砂岩内部的损伤程度较F-T循环更加明显;基于黏弹性朱-王-唐模型,建立了能够考虑F-T/T-S循环损伤的红砂岩动态本构模型;通过对比模型和试验得到的动态应力-应变曲线,验证了模型的准确性和适用性,该模型能够较好地反映冲击荷载作用下F-T/T-S循环后红砂岩的动态强度和变形特性。     

循环荷载下大孔隙红砂岩的动力响应及损伤研究

为探究循环荷载下不同孔隙率红砂岩的动力特性和损伤规律,采用SHPB冲击实验系统,选取了2组不同孔隙率的红砂岩进行循环冲击实验,分析大孔隙率红砂岩的动力波形,本构曲线及损伤度,得到不同孔隙率红砂岩的变形模量、峰值应力、峰值应变及损伤度的变化规律。结果表明:不同孔隙率的红砂岩试件在循环荷载下的应力时程基本一致,随着循环次数的增加,岩石经历了孔隙闭合-裂隙开展-应力硬化-应变软化直至破坏的阶段,其变形模量和峰值应变呈现出先减小,再增大,再减小的趋势,峰值应力与速度呈正相关的关系。随着循环次数的递增,孔隙率大的岩石的峰值应力下降趋势大于孔隙率小的岩石,并且损伤累积使岩石在冲击破坏前表现出了较明显的塑性特征,不同孔隙率红砂岩的损伤度变化趋势基本是先增大后减小,孔隙率大的岩石累计损伤度大于孔隙率小的岩石,其损伤裂纹基本都是从透射杆端部开始,随着裂纹的产生扩展直至破坏。     

基于迟滞耗散能的纤维增强陶瓷基复合材料疲劳寿命预测方法

纤维增强陶瓷基复合材料(CMCs)在疲劳载荷作用下,纤维相对基体在界面脱粘区往复滑移导致其出现疲劳迟滞现象,迟滞回线包围的面积,即迟滞耗散能,可用于监测纤维增强CMCs疲劳损伤演化过程。提出了一种基于迟滞耗散能的纤维增强CMCs疲劳寿命预测方法及考虑纤维失效的迟滞回线模型,建立了迟滞耗散能、基于迟滞耗散能的损伤参数、应力-应变迟滞回线与疲劳损伤机制(多基体开裂、纤维/基体界面脱粘、界面磨损与纤维失效)之间的关系。分析了疲劳峰值应力、疲劳应力比与纤维体积分数对纤维增强CMCs疲劳寿命S-N曲线、迟滞耗散能和基于迟滞耗散能的损伤参数随循环次数变化的影响。疲劳寿命随疲劳峰值应力增加而减小,随纤维体积含量增加而增加;迟滞耗散能随疲劳峰值应力增加而增加,随应力比和纤维体积分数增加而减小;基于迟滞耗散能的损伤参数随纤维体积分数增加而减小。      

列车动荷载长期作用下圆形隧道衬砌损伤分布特征及演化规律研究

为研究隧道衬砌车致损伤分布特征及演化规律,该文采用规范推荐的混凝土单轴拉压本构关系推导了复杂应力条件下增量损伤本构关系,并基于此本构模型实现了ANSYS标准计算流程的二次开发。通过与单轴拉压试验结果对比验证了计算的可靠性。建立了地铁圆形隧道-地层耦合动力有限元模型,基于改进的Miner累积损伤理论,研究了列车动荷载长期作用下衬砌结构的损伤分布、动力响应、损伤增量及累积损伤演化规律。结果表明:衬砌长期车致损伤关于隧道中心线对称,主要分布于仰拱结构,分布角约120°;列车荷载作用点下方衬砌结构中出现两个损伤集中区,其损伤幅值较其他区域大;随累积运行次数的增加,损伤集中区内车致动应力幅值减小约83%,动应变幅值增大约150%;损伤增量与累积损伤均随列车累积运行次数增加而增大,且呈非线性关系;采用改进的Miner累积损伤理论可提高预测隧道结构疲劳寿命的准确性。     

循环荷载下大孔隙红砂岩的动力响应及损伤研究

为探究循环荷载下不同孔隙率红砂岩的动力特性和损伤规律,采用SHPB冲击实验系统,选取了2组不同孔隙率的红砂岩进行循环冲击实验,分析大孔隙率红砂岩的动力波形,本构曲线及损伤度,得到不同孔隙率红砂岩的变形模量、峰值应力、峰值应变及损伤度的变化规律.结果表明:不同孔隙率的红砂岩试件在循环荷载下的应力时程基本一致,随着循环次数...     

超高韧性水泥基复合材料功能梯度板接触爆炸数值模拟

超高韧性水泥基复合材料(Ultra-High Toughness Cementitious Composites,UHTCC)具有优异的韧性和吸能效果,采用UHTCC和UHPC材料制成的功能梯度板具有优越的抵抗爆炸冲击性能。为了更好地研究UHTCC材料在爆炸荷载下的损伤规律,设计出性能优良的防护结构,该文利用LS-DYNA软件对UHTCC功能梯度板接触爆炸进行了数值模拟。探讨了靶体材料、炸药量、配筋情况、能量吸收层厚度对结构抗爆性能的影响。研究结果表明,UHTCC功能梯度板可以有效减少爆炸荷载下的开坑、震塌以及靶体损伤,同时吸收更多的爆炸冲击波,从而达到优良的抗爆效果。配置拉结筋并合理设置能量吸收层厚度能有效减少靶体损伤。     

Mechanical Response and Energy Dissipation Analysis of Heat-Treated Granite Under Repeated Impact Loading

The mechanical behaviors and energy dissipation characteristics of heat-treated granite were investigated under repeated impact loading. The granite samples were firstly heat-treated at the temperature of 20°C, 200°C, 400°C, and 600°C, respectively. The thermal damage characteristics of these samples were then observed and measured before impact tests. Dynamic impact compression tests finally were carried out using a modified split-Hopkinson pressure bar under three impact velocities of 12 m/s, 15 m/s, and 18 m/s. These test results show that the mineral composition and the main oxides of the granite do not change with these treatment temperatures. The number of microcracks and microvoids decreases in the sample after 200°C treatment. The mechanical properties of a sample after 600°C treatment were rapidly deteriorated under the same impact velocity. The average of peak stress is much smaller than those after 20°C, 200°C and 400°C treatments. The heat-treated samples have an energy threshold each. When the dissipated energy of a sample under a single impact is less than this threshold, the repeated impacts hardly lead to further damage accumulation even if its total breakage energy dissipation (BED) density is large. Under the same number of repeated impacts, the cumulative BED density of a sample after 600°C treatment is the largest and its damage evolves most quickly. The total BED density of the sample after 200°C treatment is the highest, which implies that this sample has better resistance to repeated impact, thus having less crack initiation and growth.     

灰岩和白云岩动态压缩力学性能的SHPB实验

为了得到爆破荷载作用下岩石的破坏特性及爆破振动波的传播特性,利用RMT-150C多功能实验机和改进后的ф50mm的分离式Hopkinson压杆装置,分别研究灰岩和白云岩试件的静态力学特性和在5种不同应变率等级下的动态力学性能。实验结果表明,随着平均应变率的增加,灰岩和白云岩试件的动态抗压强度、峰值应变、吸收能、比能量吸收值以及破碎程度都明显增加,表现出显著的应变率效应,而初始弹性模量对应变率的相关性不敏感。从岩石的动态抗压强度和能量吸收两个方面,对比分析灰岩和白云岩动态力学性能的共性和差异性,更合理地解释了岩石在动态冲击荷载下的破坏本质。     

超高韧性水泥基复合材料的层裂试验研究

层裂是材料遭受冲击、爆炸等高速荷载时的一种常见破坏方式。该文利用直径80 mm的霍普金森杆实验装置,研究了超高韧性水泥基复合材料UHTCC （Ultra High Toughness Cementitious Composites）中应力波的传播特性和材料的层裂强度。通过在试件表面粘贴5组应变片,获得了在0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa打击气压下,UHTCC中应力波的传播曲线。利用高速摄影机记录层裂试验,观测了UHTCC的层裂破坏过程。由试件表面应变片测得的应力波曲线,计算了材料中的应力波波速、动态弹性模量,分析了应力波在该材料中传播的衰减规律,并计算出不同打击气压下材料的层裂强度及应变率。试验结果显示: UHTCC的层裂过程相比混凝土具有更多的韧性特征; UHTCC中的应力波峰值在0 mm~500 mm范围内衰减迅速;在同等应变率下,UHTCC与静态抗拉强度相近的混凝土相比,层裂强度高出10 MPa左右,且UHTCC的层裂强度具有明显的应变率敏感性。     

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。      

泡沫填充蜂窝材料动态力学性能的物质点法模拟

为了研究泡沫填充蜂窝材料(FFH)在动态加载下的力学响应和吸能效果,采用物质点法建立了FFH的细观物质点模型。泡沫细观物质点模型的应力-应变曲线与理论模型和实验结果吻合较好,FFH细观物质点模型的变形失效模式与实验结果一致。研究发现,填充泡沫和蜂窝分别通过塑性变形和屈曲变形吸能,填充泡沫对蜂窝吸能效果增强效应显著。获得了填充泡沫密度和加载应变率对FFH变形损伤和吸能效果的影响。填充泡沫密度增加,FFH动态力学性能提高,吸能总量增加,蜂窝吸能增加。填充泡沫增强了蜂窝的屈曲强度,促进蜂窝抵抗更多的变形。FFH的应力-应变曲线对加载应变率敏感,其吸能效果受加载应变率一定程度的影响,但总量变化不超过15%。吸能总量和组分吸能比例由FFH整体结构决定,与加载应变率无关。      

中低应变率加载下弱胶结软岩动力学特性

我国西部侏罗系煤层上覆巨厚白垩系富水软岩,为了解此类软岩在冲击荷载作用下的力学本构关系及损伤演化规律,利用Hopkinson压杆装置对干燥、饱和红砂软岩进行中低应变率下的冲击试验,结果表明:红砂软岩峰值应力、峰值应变均表现出明显的应变率效应,其中峰值应力与应变率呈指数关系;相同应变率下,干燥红砂软岩的强度大于饱和状态,对冲击荷载表现出更强的抵抗能力,但饱和红砂软岩的宏观破坏强度大于干燥状态;低应变率加载下,干燥红砂软岩出现负损伤;结合微观机理分析,低应变率下,水对红砂软岩的弱化作用占据主导地位,随着应变率的增大,在惯性效应和水的Stefan效应共同作用下,饱和红砂软岩的动态强度得到强化;基于Z-W-T模型和应变等效原理,建立了服从Weibull分布的损伤本构方程,经验证能很好的反映红砂软岩的动态本构关系,具有一定的工程实际意义。