循环载荷作用下煤的力学性质及声发射特征演化规律

声发射是煤等脆性材料破坏过程中经常伴随的现象,可以通过研究煤的声发射规律掌握其损伤和裂隙的演化规律。借助三轴液电伺服加载系统和声发射测试系统,针对原煤试样,进行了循环加载实验,揭示了循环载荷作用下的煤力学性质和声发射演化特征。研究结果表明:多级加载疲劳试验中,循环载荷幅度相同的条件下,随着加载频率的减小,弹性模量降低30%～40%、不可逆塑性变形增加,说明煤样损伤及裂纹发展有时间效应;循环加卸载频率对于煤样内部原有的或新生的微裂纹扩展规律具有较大的影响;验证了声发射试验中的Kaiser效应和Felicity效应,发现煤的应力记忆特征、应变记忆特征具有Felicity效应,而且相对于应变记忆特征,应力记忆特征变化更加明显,说明煤的物性参数(应变)记忆能力相对好于状态参数(应力),更能准确地描述损伤。     

循环加卸载条件下花岗岩力学特性及疲劳损伤演化研究

为了研究岩石在循环加卸载下的力学特性及能量损伤演化规律,设计了5种花岗岩三轴循环加卸载试验。基于试验结果,详细分析了不同围压的循环加卸载模式下的总能量、弹性应变能和耗散能的演化特征及相互关系,建立了岩石损伤耗散能与循环加载次数及围压的耦合演化方程。结果表明:(1)当载荷小于峰值应力时,加载阶段的弹性模量小于卸载阶段的弹性模量;(2)峰值应力前,载荷所产生的能量主要表现为弹性应变能,而峰值应力后,载荷所产生的能量主要表现为耗散能;(3)随着围压的增加,岩石弹性应变能及耗散能增加;(4)循环加卸载作用下,岩石的耗散能与围压及加卸载循环次数有明显相关性,可以用非线性曲面进行拟合,可为定量分析循环加卸载过程中岩石损伤提供参考。     

岩石在不同应力幅值下受低频循环扰动的力学特性试验

设计3种不同类型的岩石在不同应力幅值下的循环扰动试验。试验结果表明:当扰动应力幅值较小时,岩石在循环加载下出现弹性模量强化效应,不同类型的岩石弹性模量强化程度不同;循环动力扰动加载试验存在应力上限门槛值,只有大于应力上限门槛值,试样才会发生破坏;扰动应力幅值对岩石的破坏影响显著,在高应力幅值下,循环次数迅速减少;在低应力幅值下,试件破坏形态为剪切破坏,在高应力幅值下,破坏形态复杂,出现板裂化破坏和碎块弹射。建立了循环扰动作用下的应变损伤模型,通过分析不同应力幅值下损伤变量的变化规律,得出如下结论:岩石损伤可划分为迅速增长阶段、平稳发展阶段、快速增大阶段,且随着扰动应力幅值的增加,平稳发展阶段的循环数显著减少;当应力幅值提高,损伤变量变化率显著提高,应变迅速增加,岩石破坏。     

航空2024铝合金VIC-3D静载分析和疲劳试验VIC-3D Static Analysis and Fatigue Test of 2024 Aluminum Alloy 陈亚军 黄彦 薛程丹 洪建国

为系统研究航空2024铝合金的力学性能,首先通过VIC-3D技术测量静态拉伸全场二维应变及应力,其次基于航空载荷谱进行动态载荷疲劳试验。VIC-3D结果表明,利用Y方向应变随时间变化云图,可以探究裂缝出现及发展规律;采用运输类飞机下翼面标准载荷谱TWIST,疲劳试样在第34周循环,总第169973次循环后发生疲劳断裂。利用扫描电子显微镜对试件断口进行观察,疲劳断口可观察到疲劳源区、疲劳裂纹扩展区及瞬时断裂区,并呈扇形向外扩展。疲劳裂纹萌生于试件表面;裂纹扩展区二次长裂纹方向和裂纹扩展方向垂直,并存在疲劳辉纹;瞬时断裂区呈现出塑性断裂韧窝状形貌,局部存在冲击面形貌。     

航空2024铝合金VIC-3D静载分析和疲劳试验

通过VIC-3D技术测量静态拉伸全场二维应变及应力,基于航空载荷谱进行动态载荷疲劳试验,利用扫描电子显微镜对试件断口进行观察,研究航空2024铝合金的力学性能。结果表明,利用Y方向应变随时间变化云图,可以探究裂纹出现及发展规律,疲劳试样在第34周循环,总第169 973次循环后发生疲劳断裂。疲劳断口可观察到疲劳源区、疲劳裂纹扩展区及瞬时断裂区,并呈扇形向外扩展。疲劳裂纹萌生于试件表面,裂纹扩展区二次长裂纹方向和裂纹扩展方向垂直,并存在疲劳辉纹,瞬时断裂区呈现出塑性断裂韧窝状形貌,局部存在冲击面形貌。     

齿轮单齿弯曲疲劳强度试验夹具

在齿轮传动中,轮齿折断是一种主要的失效形式,研究提高齿轮的抗弯强度,对于延长齿轮的使用寿命有着重要的意义。为了检验和改进轮齿的抗弯强度,就必须对齿轮传动进行轮齿弯曲强度方面的试验研究。轮齿弯曲强度试验装置可分为弯曲静强度试验装置,弯曲冲击强度试验装置和弯曲疲劳强度试验装置。由于运转的轮齿都是受变载荷作用,所以弯曲疲劳试验是最主要的。轮齿以受脉动循环变化应力即单向循环弯曲为最常见,所以在疲劳试验中又以单向的弯曲疲劳试     

花岗岩三轴循环加卸载宏细观特性的三维颗粒流模拟

为研究三轴循环加卸载条件下花岗岩破坏全过程的宏细观力学特性,采用颗粒流PFC3D方法确定了应力-应变曲线上的应力门槛值(σ_(ci)起裂应力、σ_(cd)裂隙损伤应力和σ_f峰值强度),分析了宏观参数随塑性剪切应变的变化规律,并结合微裂纹数目及微裂纹发展变化过程,揭示了微裂纹损伤演化规律。结果表明:宏观上,不同围压下相应的σ_(ci)/σ_f分别为49.59%、49.7%、36.3%,σ_(cd)/σ_f分别为91.74%、95%、96.2%;应力门槛值和弹性模量随塑性剪切应变的增加先快速减小后趋于稳定,泊松比随塑性剪切应变的增加先快速增大后趋于稳定。细观上,微裂纹数目最大增量发生在应变软化阶段;试样内部微裂纹的发展是通过其自身扩展实现的,且微裂纹的扩展同时受试样结构和试样内主应力方向的影响;不同围压下试样均在残余变形阶段发生剪切破坏。研究结果很好地揭示了试样在循环荷载作用下破裂的全过程。     

循环冲击状态下砂岩力学及损伤特性研究

为研究循环冲击状态下砂岩力学及损伤特性,本文采用分离式Hopkinson压杆试验装置对红砂岩进行不同入射幅值的循环冲击试验,通过Weibull分布统计损伤模型分析了红砂岩损伤演化规律.研究结果表明,以90 M Pa入射应力进行循环冲击试验时,随着循环冲击次数的增加,动态强度先增大后减小,最大应变以及平均应变率则先减小后...     

不同长径比石灰岩动态压缩SHPB试验研究

为了研究不同长径比石灰岩应力-应变曲线、动态单轴抗压强度、动态弹性模量、峰值应变随应变率增大的变化规律,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,对2组不同长径比石灰岩试样,进行7种不同应变率等级下的冲击加载试验。结果表明:随着应变率的增大,应力-应变曲线在峰值点后表现出不同的变化规律,呈现明显的率相关性;2组试样动态单轴抗压强度均随应变率的增大呈幂指增大,且长径比为1.0的试样强度的应变率敏感性强于长径比为0.5的试样,有明显的尺寸效应;动态弹性模量和峰值应变均随应变率的增大而增大,相同应变率下,长径比为1.0的试样动态弹性模量大于长径比为0.5的试样;试样的动态压缩破坏形态在相同应变率下,长径比为0.5的试样破坏程度比长径比为1.0的大,应变率较低时呈轴向劈裂破坏,应变率较高时呈颗粒状粉碎破坏。     

冲击载荷下动压巷道坚硬顶板动态力学特性及其破坏机理研究

为研究冲击载荷作用下动压巷道坚硬顶板的动态力学特性及其破坏机理,利用SHPB冲击试验和数值模拟相结合的方法,分析了不同岩性顶板的动态力学特性和破坏模式,从应力波的角度揭示了其破坏机理。结果表明：试样的动态力学特性具有较强的应变率效应,动态抗压强度与应变率呈线性关系增长;随着冲击载荷增大,试样的动态抗压强度、动态弹性模量和极限应变在一定范围内均增大,破坏模式具有从张拉破坏向剪切破坏变化的趋势;应力波在试样内部反射形成的拉伸波在试样内部轴心叠加是导致内部裂纹扩展贯通破坏的主要原因。     

无残余应力煤岩损伤演化模型分析

利用加卸载循环试验得到应力与全应变幂之间的关系曲线,在塑性应变分析的基础上,研究弹性模量与损伤耗能之间的关系,确定了没有残余应力的岩石在准静态过程中损伤演化的能量变化过程.研究表明：在准静态过程中,随着损伤的增大,应力总是先增大后减小而出现应力峰值,应变则有可能是先增大后减小而出现应变峰值.     

循环加卸载下岩石变形破坏的损伤、能量分析

利用金川二矿区深部采集的含辉橄榄岩、花岗岩和混合岩进行了常规单轴压缩试验和循环加卸载试验,结果表明循环加卸载条件下的弹性模量值较常规单轴压缩试验小。运用损伤力学分析了循环加卸载条件下弹性模量降低的现象,结果表明应力—损伤呈线性关系,损伤—应变也呈线性变化,含辉橄榄岩的累积损伤最大,花岗岩次之,混合岩最小;基于损伤力学的"应变等效假说"算出了加卸载条件下弹性模量的理论值,与实测值比较发现偏差较大。对循环加卸载应力—应变曲线中的塑性滞环进行了能量分析,研究表明含辉橄榄岩的能量耗散值最大,花岗岩次之,混合岩能耗最小;能量耗散值与应力呈线性关系,后次循环加卸载所耗散的能量不等于前几次能耗值的累加,主要是由于岩石材料的缺陷和非线性的特征所致。     

雨流计数法及其在疲劳寿命估算中的应用

在机械结构的破坏形式中,疲劳破坏是一种主要形式。据不完全统计,机械零件破坏50％～90％为疲劳破坏。而近年来的研究也表明,机械零部件的疲劳是由于其内部局部应力集中区域内产生循环塑性应变所造成的,而载荷时间历程是复杂的．是随机变化的,因此要合理地预测零部件的疲劳寿命,必须对载荷时间历程或局部应力、应变历程进行统计处理——循环计数,     

不同循环加卸载速率下砂岩的力学特性研究

隧道开挖、矿山开采等工程中均涉及有岩石应力周期性压缩和拉伸现象,施工条件产生的力学效应对岩石结构影响显著。为研究不同加卸载速率下岩石的变形破坏特征,设计了砂岩在单轴条件下非等同加卸载速率循环荷载试验,基于应力-应变曲线、滞回环、残余应变及弹性模量等角度深入分析了砂岩岩体在循环荷载下的损伤、失稳劣化演化规律。结果表明：横幅循环荷载残余应变与循环次数呈对数函数相关,分级循环荷载中每一级的上限应力对应变的改变量要大于下限应力对应变的改变量;残余应变与循环次数拟合结果为同一斜率的线性相关函数;加载方式对岩样弹性模量大小有一定影响,且加卸载速率一致时对其影响最大。     

金属薄壁板后屈曲疲劳寿命预估

针对四边简支的金属薄板在面内轴压载荷作用下的后屈曲疲劳问题进行了研究,并估算该平板的屈曲疲劳寿命。用ABAQUS对该平板进行有限元线性屈曲分析,得到临界屈曲载荷和屈曲模态。再利用位移控制的修正弧长法(Riks法)将线性屈曲的一阶屈曲模态作为初始缺陷进行后屈曲分析,研究在后屈曲状态下,最大应力值与所加载荷的关系。根据已有过载系数谱,再由最大应力点载荷系数与应力值的关系得到疲劳应力谱。以最大应力位置节点为疲劳危险点进行屈曲疲劳寿命估算。疲劳累积损伤理论选取线性疲劳累积损伤理论。     

基于有限元法的压风机罐体应力评定与疲劳分析

针对井下压风机的高压承载安全问题,基于有限元法,利用ANSYS/Workbench软件对压风机罐体的承压状态进行了应力评定及疲劳分析。根据压力容器分析设计标准(JB4732),校验得出罐体一次总体薄膜应力、一次加二次应力强度均小于许用值;通过对罐体循环载荷作用下的疲劳特性模拟仿真,得出该设备运行达到设计循环次数时,未发生疲劳破坏。     

循环载荷下煤样力学特性和损伤演化规律试验研究

为探索循环应力下煤样的力学特征和损伤演化规律,利用TAW-2000压力机和SH-Ⅱ声发射系统对煤样进行循环载荷试验。结果表明:随着循环峰值应力的增加,循环峰值轴向应变、径向应变和塑性变形均呈线性增长。煤样破碎成多个块体且形状各异。随着循环应力的增大,曲线出现明显的迁移效应。随着循环峰值应力增大,体应变不断增长且呈现离散-密集-离散的特征。通过弹性模量大幅度变化和达到峰值可以一次和二次预判煤样的破断;通过泊松比波动和稳定增长可以一次和二次预判煤样的破断。随着循环应力的增大,声发射计数在不断增大。第7次循环后声发射计数增长较快,煤样进入明显的塑性阶段。循环加卸载前期损伤程度较低,呈现缓慢增长的趋势,当达到塑性分界点时,损伤变量呈现台阶式增长。加载阶段声发射能量增长趋势为先缓慢后快速再极速,卸载阶段声发射能量增长较缓慢且平稳,通过声发射能量的异常增长也可预判煤样即将失稳破坏。加卸载响应比分为典型的4个阶段,整体呈现"U"型变化。     

块石胶结充填体循环加卸载损伤特性研究

在RMT-150C岩石力学试验系统上对四种不同块石含量胶结充填体试件进行单轴压缩和逐级循环加卸载试验,得到其损伤破坏全过程应力—应变曲线;通过分析各组循环过程应变与动弹性模量变化,发现块石胶结充填体卸载点应力水平由低到高的每个循环过程中,试件呈现先强化后劣化的规律,且适量块石的加入可提升充填体强化过程。采用改进的混凝土分段损伤本构模型对循环加卸载下的块石胶结充填体受压破坏应力—应变曲线外包络线进行拟合,理论曲线与试验曲线吻合度较高,此模型对块石胶结充填体循环加卸载损伤破坏过程描述较为准确。     

循环冲击下砂岩力学及损伤特性研究

为研究循环冲击状态下砂岩力学及损伤特性,采用分离式Hopkinson压杆试验装置对红砂岩进行不同入射幅值的循环冲击试验,通过Weibull分布统计损伤模型分析了红砂岩损伤演化规律。研究结果表明：以90 MPa入射应力进行循环冲击试验时,随着循环冲击次数的增加,动态强度先增大后减小,最大应变以及平均应变率则正好相反,第一次冲击有助于提高红砂岩的抗压强度;随着入射幅值的增大,当以100 MPa、110 MPa、120 MPa入射应力冲击时,动态强度、变形模量和循环次数逐渐减小,最大应变和平均应变率逐渐增大,基于Weibull分布的损伤模型可以反映此材料的损伤演化特性,累积损伤随着冲击次数的增加而增大,累积单位体积吸收能与累积损伤规律具有较好的一致性,岩样出现失稳破坏为大块时的累积损伤均在0.8左右,没有明显的变化。研究结果为矿山岩体安全防护及正确评价岩石稳定性提供理论依据。     

煤岩单向加热模拟试验装置的研发与应用

煤炭地下气化火焰工作面高温气体作用于气化通道周边煤岩体,使其呈单向受热状态,煤岩体法线方向的热损伤和热破裂呈现明显的梯度分布规律。为了对煤岩体在单向高温热作用下的热损伤特性规律进行研究并提供新的实验手段,自主研发设计了煤岩单向加热模拟试验装置,该装置主要包括加热和温控单元、温度和热应力监测单元、声发射监测单元、约束和加载单元4个部分。采用的试样尺寸为■50 mm×100 mm,最大单向加热温度为600℃,热应力监测量程5 MPa。介绍了试验装置的主要功能和技术参数、结构与关键技术以及研制过程中的技术难点和解决方案等,并使用本试验装置开展了相关实验。本试验装置的显著特点包括:(1)实现单向高温加热和单向约束,模拟煤岩体受热状态;(2)实现加热过程的温度、热应力和声发射的多信息同步监测,便于多因素耦合分析;(3)边界加热温度程序可控,可模拟不同类型受热边界条件。采用该试验装置进行砂岩的单向高温加热试验,可以揭示煤岩体试样单向受热条件下高度方向上温度、轴向热应力以及热破裂声发射特性规律,并通过主频分析,进一步揭示煤岩体热破裂的演化规律。该试验装置适用于地热开发、煤炭地下气化等特殊环境下煤岩体...