冲击荷载下岩石动态损伤演化研究

I型裂纹破坏为岩石材料在冲击荷载作用下的主要破坏方式.通过假设岩石材料宏观上是一个均匀连续体,而细观上其内部则包含了大量随机分布的微裂纹等损伤缺陷;研究了岩石材料在冲击荷载下裂纹的成核、发展以及内部损伤演化规律;借助于宏细观相结合的理论建立了表征岩石材料细观结构及其损伤演化过程中的某种特征参量与宏观力学参数之间的关系方程.     

循环气压下原煤微损伤及其破碎特性试验研究

应用岩石力学测试系统TAWD-2000和煤岩气压致裂设备开展了首山矿原煤试件的气压疲劳试验,分析了循环气压及二次气压致裂作用下煤样的微损伤与破碎特性,并利用损伤理论与分形理论进行描述.结果显示:1)基于残余塑性体应变定义微损伤变量,推导损伤演化方程,煤样微损伤随着疲劳次数的增加显著增大.2)含节理面煤样微裂纹发育局部化,产生局域高损伤,气压疲劳导致的整体微损伤效果推迟.3)经历气动疲劳的原煤气压致裂呈现整体破裂特征,破碎程度远大于直接气压致裂所引起的单一对径张拉破坏.4)循环气压下微损伤原煤的破碎特征可利用破碎度的分维数表征,分维数越大,试件破碎度越大,小块度所占比例越大,反之愈小.     

流域地貌形态分形布朗运动(FBM)分维数研究

应用分形布朗运动(FBM)理论,建立了流域地貌形态FBM分维数的计算模型.以大理河流域六条子流域为例进行计算,并对各流域地貌形态FBM分维数的特点进行了分析.结果表明:流域地貌形态特征在一定的像元尺度区间内(无标度区间)遵从某种共同的幂律关系,可以用FBM分维数来表述;流域地貌形态FBM分维数能够从综合性与整体性方面对不同像元尺度流域地貌的共同特征进行描述;利用这个方法可以进行不同像元尺度下地貌形态特征的比较与评价.     

用位错胞及正电子湮没寿命为参量的损伤演变律

利用正电子湮没技术,以正电子湮没平均寿命为损伤参量,描述裂纹萌生阶段材料的劣化过程.由于正电子对原子尺度的缺陷(如空位、空位团、位错及微空洞等)十分敏感,因此,用τ~来获得金属材料(包括脆性材料和非金属材料)的微结构和缺陷在低应力水平下弹性损伤的变化信息成为可能,进而可建立弹性损伤的演变方程,这就有可能解决宏观测试手段难以得到低应力水平下弹性损伤变化量的这一难题.     

基于傅里叶近似法的S-RM细观损伤过程研究

为了明确土石混合体（S-RM）的细观损伤演化过程,基于现场水平推剪试验,采用离散元数值模拟方法,开展S-RM水平推剪数值实验研究,分析S-RM的力学特性和细观损伤演化特征. 基于傅里叶近似法,提出微裂纹各向异性定量评价方法. 根据S-RM变形破坏过程中微裂纹各向异性演化特征,划分了S-RM水平推剪细观损伤阶段,通过分析各细观损伤阶段的裂纹扩展特征及发展规律,揭示了S-RM剪切滑动面形成机理. 试验结果表明,微裂纹各向异性程度随着剪切位移的增加而增强,当主裂纹形成后不再有明显变化,微裂纹主要分布在0°~45°与135°~180°;微裂纹的产生主要由于颗粒间的拉应力导致,拉裂纹的各向异性程度明显大于剪切裂纹;土体中微裂纹的贯通导致多条宏观裂纹的形成,由于块石的翻转宏观裂纹逐渐扩展形成一条绕石宏观主裂纹,S-RM沿着主裂纹滑移形成绕石剪切滑动面;滑动面的倾角为34°,与主裂纹倾角和微裂纹在0°~90°的平均角度一致.     

基于分维的遥感影像最佳分割尺度研究

针对面向对象的遥感技术中对象最优分割尺度难题,提出了基于分维的定量确定最优分割尺度算法。算法通过分析分维值变化规律和最优分割尺度之间的定量关系,发现分维值变化稳定区间与遥感对象最佳分割尺度范围相对应,因此可以通过对象分维-尺度关系,确定遥感对象的最佳分割尺度,一定程度上解决了最优分割尺度难于确定的难题。     

鄂尔多斯盆地东缘煤储层渗流孔隙分形特征

基于压汞试验,分析了鄂尔多斯盆地东缘14个矿区56件煤样储层孔隙的分形特征,通过分维数与煤储层渗透性的比较,得出孔隙体积分维数与煤储层渗流孔隙的渗透性关系.结果表明,煤储层压汞孔隙分形尺度为孔直径86 nm～1 000μm,体积分维数2.75～3.24,在区域分布上呈自北向南降低的趋势,与煤变质程度、灰分、矿物含量呈负相关关系,与水分、中孔含量及视孔隙度(>5%)呈正相关关系.储层渗透性的分形表征与分形维数、分形尺度及分形孔隙的分布连通性多因素相关,但在储层孔隙率较低的情况下,分形孔隙的分布连通情况对渗透性起决定性作用.     

既有工业厂房钢吊车梁疲劳性能预后分析

为更好地理解工业厂房钢结构的疲劳性能衰退机理,有效预防结构发生脆性断裂,发展了面向既有工业厂房钢结构的疲劳性能预后分析方法.基于跨尺度界面功平衡原理建立了工业厂房钢结构疲劳损伤多尺度模型,量化了结构既有缺陷引起的损伤,研究了工业厂房钢结构关键构件——钢吊车梁的疲劳损伤演化和复合型疲劳裂纹扩展过程.疲劳预后分析结果表明:钢吊车梁焊缝区域的损伤在初始阶段增长较为缓慢,后期急剧加快,论证了工程中常用的线性Miner损伤准则会导致评估结果过于保守;变截面钢吊车梁的插板与封板连接处的焊缝区域最容易发生疲劳失效,本次研究的吊车梁裂纹深度a超过5 mm后,裂纹迅速扩展,应对其进行加固处理;主要易损部位的裂纹对其他易损部位的疲劳性能影响较大.     

界面贴合型缺陷的超声红外热波检测与识别

为了实现对复合材料内部界面贴合性缺陷的快速检测和识别,采用超声红外热波方法进行了检测研究.建立了一个含有表面微裂纹、边缘垂直裂纹、分层、脱粘等4种缺陷类型界面贴合型缺陷的复合材料有限元模型,进行了超声热波检测数值仿真.并分别制作了碳纤维增强复合材料分层损伤试件、玻璃纤维复合材料疲劳裂纹试件和T700/BA202环氧树脂基复合材料冲击损伤试件,开展了超声红外热波检测实验和缺陷识别研究.结果表明,超声热波方法适合于复合材料裂纹、分层、冲击损伤等界面贴合型缺陷的快速检测和识别,而对脱粘等非界面贴合型缺陷则无检测效果.微小裂纹(≤0.001 m)可以被检测出,对浅表面(0.001 m深)缺陷的识别精度达95％,且裂纹越长,裂纹面越大越容易被检出,对0.002 m长的裂纹的检测误差为13.88％,与超声C扫方法相比,超声热波方法对冲击损伤大小的识别误差为5.7％.     

岩爆孕育和发生全过程数值研究

岩爆与地震、高速滑坡以及冲击地压等都属于岩石动力灾害.按照多尺度力学的观点,它们有相同的发生机制,即损伤演化诱致灾变.岩爆是工程尺度的灾变,是材料微损伤成核、生长和贯通等演化的结果.利用FEM数值方法,通过隧道断面损伤斑图的生长过程模拟工程灾变的演化过程.结果显示,岩爆区与炸药爆破坑具有相同的形状,岩爆的冲击性来自应变能的突然、集中地释放.岩爆事件可以分为2个阶段:第一阶段是岩爆体从母岩中被"V"形的软弱损伤带分划出来;第二阶段是岩爆楔形体内应变能的释放阶段.岩爆的监测、防治措施必须在第二阶段开始前完成.     

岩石裂纹小范围屈服时声发射总数与应力强度因子关系的研究

根据裂纹尖端微裂纹密度理论,假定声发射总数与裂纹尖端的显微裂纹总长度成正比,推导了出了岩石裂纹稳定扩展时声发射总数与应力强度因子之间的关系式。将并一些试验结果与理论推导进行了比较,结果表明;理论推导与试验结果大体一致。     

Investigating fatigue behavior of gear components with the acoustic emission technique

A novel method is presented to evaluate the complicated fatigue behavior of gears made of 20Cr2Ni4A. Fatigue tests are conducted in a high-frequency push-pull fatigue tester, and acoustic emission (AE) technique is used to acquire metal fatigue signals. After analyzing large number of AE frequency spectrum, we find that: the crack extension can be expressed as the energy of specific frequency band, which is abbreviated as F-energy. To further validate the fatigue behavior, some correlation analysis is applied between F-energy and some AE parameters. Experimental results show that there is significant correlation among the F-energy, root mean square (RMS), relative energy, and hits. The findings can be used to validate the effectiveness of the F-energy in predicting fatigue crack propagation and remaining life for parts in-service. F-energy, as a new AE parameter, is first put forward in the area of fatigue crack growth.     

Macro and meso characteristics evolution on shear behavior of rock joints

Direct shear tests were conducted on the rock joints under constant normal load(CNL), while the acoustic emission(AE) signals generated during shear tests were monitored with PAC Micro-II system. Before and after shearing, the surfaces of rock joints were measured by the Talysurf CLI 2000. By correlating the AE events with the shear stress-shear displacement curve, one can observe four periods of the whole course of shearing of rock joints. By the contrast of AE location and actual damage zone, it is elucidated that the AE event is related to the morphology of the joint. With the increase of shearing times, the shear behavior of rock joints gradually presents from the response of brittle behavior to that of ductile behavior. By combining the results of topography measurement, four morphological parameters of joint surface, S p(the maximum height of joint surface), N(number of islands), A(projection area) and V(volume of joint) were introduced, which decrease with shearing. Both the joint roughness coefficient(JRC) and joint matching coefficient(JMC) drop with shearing, and the shear strength of rock joints can be predicted by the JRC-JMC model. It establishes the relationship between micro-topography and macroscopic strength, which have the same change rule with shearing.     

晶粒大小对AZ31镁合金绝热剪切敏感性的影响

为了研究晶粒尺寸对镁合金绝热剪切敏感性的影响,采用等通道转角挤压(ECAP)技术对AZ31镁合金进行了不同程度的晶粒细化并采用分离式Hopkinson压杆对细化后的AZ31镁合金试样进行了动态剪切试验.采用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和维氏硬度计,分别对冲击压缩后的AZ31镁合金试样进行了组织观察和硬度测试.结果表明,晶粒越小,AZ31镁合金的绝热剪切敏感性越弱.在对绝热剪切带及其周围组织进行维氏硬度测量时发现,剪切带内细小晶粒区的硬度明显高于其周围组织的硬度.     

点荷载下岩石记忆效应的声发射数值模拟试验研究

利用岩石破裂过程数值模拟软件RFPA对点荷载下岩石的声发射特征进行数值模拟,通过对试验循环声发射事件数强度百分比、声发射累积数的应变百分比及声发射空间分布进行对比,发现点荷载下岩石不仅对先期应力具有很好的记忆效应,对先期最大线应变也有明显的记忆能力.     

高炉钛渣碳氮化实验研究

利用碳热还原氮化法在1300～1500℃内处理高炉钛渣,用X射线衍射仪、扫描电镜等研究了温度对Ti（C,N）晶粒的生成及其长大的影响。结果表明,实验温度范围内合成钛渣碳氮化后都有Ti（C,N）生成。随温度升高,Ti（C,N）相含量逐渐增多,晶粒明显长大。1450℃时Ti（C,N）相生成最多。与合成钛渣相比,攀钢高炉渣中生成的Ti（C,N）晶粒明显要大,合成钛渣中的为1～3μm,攀钢高炉钛渣中的为3～5μm。攀钢高炉渣中的Ti（C,N）相易附着在金属铁上形成或长大。金属铁提高Ti（C,N）晶粒尺寸效果明显。     

复合材料层板冲击后剩余压缩性能声发射分析

利用声发射技术对复合材料层合板的低速冲击和压缩破坏进行了分析.测试过程中用声发射技术进行实时监测,结合载荷—位移曲线,分析了声发射能量,幅值和波形经过快速傅里叶变换后的峰值频率,并对典型信号的波形进行了频谱分析.结果表明:AE参数能很好的描述复合材料层合板低速冲击及其剩余压缩行为.     

含不同缺陷的金属材料声发射特性

根据声发射测试原理,利用信号峰值电压与材料形变过程中释放能量的关系建立了裂纹开裂的声发射参数与应力关系的数学模型,提出了声发射总计数和声发射计数率的一般表达式,研制了声发射装置,并在拉伸试验条件下对具有不同缺陷的ZG25试件进行了声发射检测。实验结果表明:无缺陷的ZG25材料与有气孔、疏松、夹渣和微裂纹缺陷的该材料具有不同的声发射AE事件特征,这对金属材料声发射无损检测具有实际意义。     

裂纹扩展过程红外热像实验及数值模拟研究

采用花岗岩材料通过红外热像和数值实验的方法,对两预制裂纹导致的岩石中新裂纹孕育、繁衍、萌生、扩展和贯通机制,以及由此引起的试样宏观强度变化等进行分析.通过红外热像遥感观测方法以及数值模拟对7块预制双裂纹的试样进行了实验研究.结果表明,裂纹扩展过程中,脆性破裂的声发射前兆不明显,在主破裂发生之前有小规模声发射现象,但释放的能量不多,只有在主破裂发生时产生大量声发射,特别是岩爆类型的破坏.试样破裂过程中有红外异常现象,在破裂处会出现明显的高温区和高温条带,并指出斑状花岗岩在破裂前主要表现为高温前兆.