用数字散斑相关方法研究竹材在拉伸载荷下的断裂行为

用数字散斑相关方法(DSCM)实验研究了无预制裂纹的毛竹试件在拉伸载荷下的断裂行为.基于试件表面的图像以及DSCM测量的位移场和应变场,分析和总结了竹材的断裂失效模式和破坏机理,定量测量了竹材的断裂韧性.研究发现竹材试件在拉伸时先在竹黄部分出现横向裂纹,此裂纹进而向竹肉横向稳定扩展,加载继续进行时裂纹会突然转为纵向并发生失稳扩展,使试件沿纤维方向破坏.通过DSCM测量得到的位移场获得了裂纹的临界张开位移,计算得到实验用竹材的断裂韧性KⅠc=4.2MPa.m0.5.     

强冲击载荷下氧化铝陶瓷的力学特性及本构模型

研究氧化铝陶瓷在强冲击加载下的力学响应和动态本构模型. 利用一级轻气炮对陶瓷靶板进行冲击加载,测量得到靶板内的应力-时间曲线,并分析得到氧化铝陶瓷的动力学特性. 结合陶瓷材料破坏特性分析,从脆性材料内翼型裂纹的产生和扩展机理出发,建立了微裂纹损伤本构模型,其中损伤参数通过微裂纹尺寸和微裂纹数2个变量进行描述. 实验与计算结果表明,该模型较好地描述了强冲击载荷下氧化铝陶瓷的力学行为.     

混凝土冲击拉伸力学性能及裂纹扩展试验研究和数值模拟

为真实反映混凝土材料劈裂拉伸力学性能,基于应变片法采用分离式霍普金森压杆对混凝土平台巴西圆盘试件进行了劈裂拉伸试验,研究了不同加载角对试件起裂方式及破坏模式的影响,并对试件破坏过程进行了扩展有限元模拟,同时与试验结果进行了对比分析,得到用于测试混凝土拉伸力学性能的最优加载角.基于此得到动态劈拉下3种不同强度混凝土的劈裂拉伸应力-径向应变曲线及抗拉强度、极限应变、拉伸敏感系数等参数的应变率效应.结果表明:20°加载角可以保证圆盘在中心起裂,用于测试混凝土劈裂拉伸性能最为可靠.在高应变率下,混凝土动态力学参数均具有明显的应变率效应,裂纹沿试件受力方向扩展、贯通直至试件沿加载直径方向劈裂为两半,破坏面表现为骨料破坏,与数值模拟结果一致.     

基于颗粒流法研究混凝土的劈裂拉伸破坏特性

基于二维颗粒流程序,构建了包含水泥砂浆、不规则多边形骨料和水泥砂浆与骨料的交界面的二维混凝土细观模型,采用标定后的平节理模型参数,对混凝土破坏的裂纹演化和破坏机理进行研究. 模拟结果表明:宏观破坏的细观机制是水泥砂浆、骨料以及交界面内的裂纹扩展和演化造成的;随机骨料的分布会对混凝土的峰值应力和破坏模式有一定的影响;巴西圆盘试件内的裂纹起始于加载端,随着载荷增加裂纹向中心扩展,混凝土试件呈现出劈裂拉伸破坏的模式;随着加载速度的提高,沿加载方向上的主裂纹及其他次生裂纹相互作用,使混凝土试件出现大量的碎块;裂纹统计结果显示,在细观层次上,拉伸型裂纹主导了混凝土试件的劈裂破坏,少量的剪切型裂纹主要集中在试件加载端的骨料附近.      

高聚物黏结炸药模拟材料冲剪实验下的动态变形破坏研究

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对一种高聚物粘结炸药(PBX)模拟材料的冲剪实验进行加载. 利用高速摄影装置记录材料动态变形破坏过程,结合数字散斑相关技术,对典型加载条件下的位移场和应变场进行了分析,对PBX模拟材料动态变形破坏现象和机理进行了分析. 实验结果验证了DIC方法用于PBX模拟材料动态测量的可行性.     

复合应力状态下砂岩损伤演化与裂纹扩展特征试验研究

为从细观尺度上研究复合应力状态下岩石中裂纹的扩展,采用数字图像相关技术,对砂岩人字形切槽巴西圆盘试件展开试验研究。基于试验中获取的试件在加载全程中的裂缝开口位移、全场域的应变场和位移场的分布和演变规律,对岩石的损伤演化及裂纹扩展机制和特征进行分析。结果表明:复合应力状态下岩石的损伤演化具有明显的阶段性;主要断裂形态为翼裂纹和次生裂纹,均为拉剪复合型裂纹;翼裂纹起裂位置随加载角度增大向试件中心靠近,沿曲线路径向加载点扩展,扩展中主导机制为拉伸;次生裂纹从柱面边缘起裂,以较平直路径向切缝尖端或切缝上某处扩展,扩展过程快速而不稳定,拉伸与剪切在其扩展机制中所占比重随加载角度变化。     

PBX炸药有效弹性模量的有限元模拟

采用代表体积元法,建立了炸药颗粒圆形随机分布和六边形规则分布细观力学模型,通过ANSYS有限元软件对PBX炸药的有效弹性模量进行了计算,计算结果和实验结果吻合较好.计算分析了炸药颗粒的性质、体积分数、形状和级配以及黏结剂性质等因素对PBX炸药有效弹性模量的影响.结果表明,炸药颗粒形状和分布方式对PBX炸药的有效弹性模量影响较小;颗粒级配对PBX炸药的有效弹性模量影响较大.PBX炸药的有效弹性模量随炸药颗粒体积分数以及弹性模量的增加而增大,在炸药颗粒体积分数较高时,炸药颗粒性质对PBX炸药有效弹性模量的影响较明显.黏结剂的体积分数虽然很少,但黏结剂的弹性模量对PBX炸药有效弹性模量的影响较大.     

基于扩展有限元法的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展研究

基于扩展有限元法(XFEM)研究了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展问题. 对于裂纹面间的力学行为,用内聚力模型(CZM)进行了描述. 推导了引入内聚力模型后扩展有限元法的单元刚度矩阵,研究了加载方向对紧凑拉剪试件复合型裂纹扩展的影响. 研究结果表明:加载方向对裂纹起裂角影响较大,试件的最大承载力随着加载角度的增大近似线性增加;同时,在不同加载角度下数值模拟得到的裂纹起裂角和力-开口位移曲线与实验结果相吻合.      

单轴压缩条件下预制裂隙类岩石材料实验研究

为研究裂隙类岩石材料在单轴压缩条件下的力学性质及裂纹扩展规律,通过在试样中预埋铁片的方法,制备出含不同裂纹条数和裂纹倾角的裂隙类岩石材料;采用RYL-600剪切流变仪对试样进行以负荷控制方式进行单轴加载,并使用数码相机记录试样加载过程中裂纹的起裂、扩展和贯通过程.着重对60°×18条裂隙类岩石材料的实验结果进行详细分析,观察其轴向应力-轴向位移曲线,曲线呈现出3次明显的应力跌落阶段,结合试样在试验过程中的录像,将裂纹的扩展分为3个阶段.并且,通过FLAC3D数值模拟软件对60°×18条的试样进行数值模拟研究,获得了数值模拟实验加载过程中的轴向应力-轴向位移曲线和模型破坏切片图,分析其破坏方式和破坏模式,并与物理实验对比,两者吻合较好.     

基于塑性损伤理论的PBX圆拱结构变形破坏分析

为研究PBX构件在复杂应力状态下的力学行为,采用塑性损伤模型对PBX圆拱结构在压缩条件下的变形与破坏过程进行模拟,分析了不同约束状态下PBX构件的承载能力、变形破坏过程与裂纹形貌,发现试件的承载能力随着端部摩擦的增强而提高,经过与实验结果的对比可知,当摩擦因数取0.2时模拟得到的失效载荷为908.9 N,与实验结果的平均值921.3 N最为接近.在约束状态下圆拱的承载能力有了较大提高,并且在裂纹出现后试件仍然能够继续承载.通过数值模拟可知端部约束条件抑制了试件的变形和裂纹的扩展.在强约束条件下试件发生了二次破坏,通过数值模拟再现了这一过程,通过与实验的对比发现数值模拟在描述裂纹形貌、载荷等方面有较好的结果.      

考虑加载速率与厚径比影响的 巴西圆盘劈裂强度分析

为综合研究加载速率和厚径比2个因素对测定茅口灰岩抗拉强度的影响关系,开展了一系列采用对称小圆弧加载方式下的巴西试验;通过ANSYS有限差分软件模拟巴西劈裂试验,结合Griffith强度理论分析不同厚径比圆盘试样在不同加载速率下的等效应力分布规律.试验研究结果表明:岩石抗拉强度会随试验加载速率的增加而增大,同时随厚径比的增大呈三次函数衰减关系.数值计算结果表明:越靠近圆盘试样端面中心点,等效应力值越大;除个别点处应力集中外,端面中心点的等效应力值也会随着加载速率的增加而增加;圆盘的起裂位置亦发生在端面中心点处.在此基础上对岩石抗拉强度公式进行修正,建立了更加真实的考虑加载速率与厚径比影响的巴西圆盘劈裂强度修正公式.     

空腹式石拱桥承载能力静载试验与有限元分析

在改造要求条件下,就某空腹式石拱桥的承载能力进行了现场静载试验与有限元数值模拟分析.结果表明,主拱圈的挠度和残余变形量小、最大压应力和拉应力也小,均满足承载能力和正常使用极性状态的要求.但拱座的水平位移不能恢复,这将会导致整个主拱圈承载能力下降,甚至引起主拱圈跨塌现象,故建议对该桥拱座基础进行加固处理、并保证加固效果,或采取重新修建桥梁的方案,以便保证桥梁改造后能满足使用要求.     

含层理灰岩巴西劈裂强度及拉裂损伤各向异性

为了研究不同角度层理对灰岩抗拉力学特性的影响,对7组不同角度层理灰岩进行巴西劈裂试验,根据岩石声发射累计振铃次数定义拉裂损伤变量,推导抗拉强度、劈裂模量及损伤变量随层理角度的变化规律。研究结果表明,(1)不同层理角度的灰岩,其受力变形过程基本一致,即经历压密、弹性和破坏3个阶段。(2)抗拉强度、拉伸模量随层理角度变化表现出明显的各向异性,在0°时最大,90°时最小。(3)基于岩体微元强符合Weibull分布及Lemaitre应变等效原理,通过拟合计算得到的损伤参数可以较好地反映7个角度灰岩样的损伤特性,损伤变量也具有各向异性特点,说明不同倾角的岩石参数在加载过程中有不同的劣化程度,同一应变水平下的损伤变量随着层理角度的增加出现下降的趋势。研究结果对于层状灰岩的试验研究、理论计算和工程建设具有一定的指导意义。     

超高温条件下花岗岩力学性质演化规律模拟研究

为提高深层干热岩破碎效率,以干热岩地层常见岩性-花岗岩为研究对象,提出超高温条件下花岗岩力学性质演化规律研究。鉴于室内实验方法的局限性,主要采用数值模拟和理论计算等研究方法,建立了高温花岗岩巴西圆盘劈裂数值模型,探究了硬质花岗岩在温度-压力联合作用下岩石应力场分布特征与扰动机制。研究发现:在单轴径向压缩载荷下,高温花岗岩各向应力分布受到显著扰动,岩石沿横轴拉伸应力、两端载荷施加位置附近压缩应力和剪切应力均显著减小,导致裂纹越容易扩展。温度越高,岩石损伤越明显,其岩石抗拉强度越低。研究结果揭示了温度作用下花岗岩力学性质演化规律,可为深层干热岩资源的高效开发提供理论依据。     

低温冻结状态下岩石的变形特性及力学行为研究

为研究冻土地区不同含水状态下冻结岩石的力学行为,对凝灰岩和玄武岩冻土试件进行了常温20℃和低温-20℃下的单轴压缩试验和巴西劈裂试验.通过观察其变形行为和声发射活动,研究了其断裂破坏过程以及饱水率对材料强度和变形性能的影响.结果表明,冻结岩石的破裂过程分为以下几个阶段:Ⅰ阶段为裂纹气孔闭合;Ⅱ阶段为弹性变形;Ⅲ阶段为裂...     

自重施加模拟方式对高拱坝工作性能的影响

为研究拱坝的不同自重施加方式对高拱坝的应力变形的影响,结合溪洛渡高拱坝实例,采取七种不同自重施加模拟方案,研究混凝土高拱坝在不同自重加载过程条件下对坝体结构工作状态的影响。有限元分析结果表明:受分步分块体形和自重累计影响,不同的自重施加模拟方式对拱坝的应力场与位移场的影响比较大,随着自重施加步数增多,仿真结果更为合理,水平拱向分层次数较竖直分缝数目对坝体性能影响更为明显,其中坝体的主拉应力和横河床方向位移变化最为敏感,分析成果对拱坝设计施工以及安全控制指标有一定的参考价值。     

应力水平对2219铝合金腐蚀损伤力学性能的影响

为明确应力水平及暴露时间对2219铝合金腐蚀损伤力学性能的影响,选择在不同应力水平作用下暴露于EXCO腐蚀溶液中,经不同时间加速腐蚀后的2219铝合金试样,开展表面蚀坑深度测量、力学性能测试、拉伸断口形貌观察试验。结果表明,应力水平、暴露时间都是影响试样应力腐蚀损伤发展从而影响材料力学性能变化的重要因素。在腐蚀的初期阶段,即0.0~1.5 h,应力水平因素的影响有限;当暴露时间大于等于2.0 h,应力水平引起的以蚀坑平均深度为表征的腐蚀损伤更加显著。但在试验时间（2.5 h）内,应力水平对腐蚀损伤所产生的影响小于暴露时间,因而对材料力学性能变化的影响也小于暴露时间。腐蚀损伤造成的点蚀坑、微裂纹破坏了材料的连续性,使试样材料的抗拉强度、延伸率、弹性模量等力学性能指标下降,是促使材料在拉伸试验中没有经过充分的塑性变形阶段就发生瞬间断裂的重要原因。深度大的点蚀坑、微裂纹,可能成为断口主裂纹的起源。     

页岩气水平井井壁裂缝起裂力学行为研究

为了弄清层状页岩各向异性对井壁裂缝起裂力学行为的影响,以四川盆地下志留系龙马溪页岩为研究对象,开展了不同角度下页岩单轴压缩和巴西劈裂实验,明确了页岩弹性和抗张强度各向异性特征,建立了考虑页岩各向异性的水平井井壁裂缝起裂力学模型,并分析了不同因素影响下井壁裂缝起裂规律。结果表明：弹性模量各向异性、地应力比值、抗张强度各向异性和孔隙压力对裂缝起裂压力影响显著,而泊松比各向异性影响较小;弹性模量各向异性、地应力比值对裂缝起裂位置和起裂倾角影响显著,而泊松比各向异性、抗张强度各向异性和孔隙压力的影响较小;井壁裂缝起裂力学行为与井眼方位密切相关,当井眼方位靠近最大或最小水平主应力方向时,井壁裂缝起裂力学行为差异随井眼方位的变化较小;当井眼方位同时远离最大和最小水平主应力方向时,井壁裂缝起裂力学行为差异随井眼方位的变化较大。研究结果可为页岩气水平井钻井井漏预防和水力压裂设计提供理论依据和参考。     

基于分子动力学的α-SiO2晶体力学性能

采用分子动力学方法, 结合Tersoff势函数, 模拟α-SiO₂晶体在应变加载下的力学性能, 并考察温度对α-SiO₂力学性能的影响. 结果表明: α-SiO₂在常温加载过程中经历了弹性变形、 塑性变形及断裂变形3个阶段, 获得的屈服强度为22.6 GPa, 断裂强度为36 GPa； 在塑性变形阶段观察到α-SiO₂从晶相向非晶转化的相变过程; 随着温度的升高, α-SiO₂的屈服强度和弹性模量逐渐降低； 温度越高断裂应力和断裂应变越低, α-SiO₂晶体在高温单轴加载下易出现断裂.