基于颗粒流的平台圆盘巴西劈裂和岩石抗拉强度

使用颗粒流(PFC)虚拟实现不同中心角的平台圆盘巴西劈裂和直接拉伸试验,观察平台圆盘巴西劈裂中裂纹形成、扩展的一般过程,分析不同中心角对岩石破坏过程及破坏模式的影响.研究结果表明:平台中心角越大,岩石内损伤破坏程度越高,破坏模式变得更复杂.通过对不同平台中心角的圆盘试样断裂模式的观察和分析,并结合已有的研究成果推荐平台中心角为20°;利用直接拉伸数值试验的拉伸强度,计算出平台中心角为20°时的抗拉强度修正系数k=0.931 5.     

岩石巴西劈裂强度与裂纹扩展颗粒尺寸效应研究

基于一组经室内巴西试验结果标定的类岩石材料细观参数,通过颗粒流程序(PFC)建立圆盘试样离散元模型,对含不同颗粒粒度中心直切槽圆盘试样进行巴西劈裂模拟,分析颗粒尺寸对荷载-位移曲线、拉伸强度和破裂模式的影响,揭示裂纹扩展过程中细观力场、微裂纹以及能量演化规律。研究结果表明:切槽圆盘试样荷载-位移曲线可分为单峰值(type I)、峰值之后软化(type II)以及峰值之后强化(type III)3种;切槽圆盘试样拉伸强度显著比完整圆盘的低,降幅与切槽倾角和颗粒半径相关;当切槽倾角不变时,拉伸强度总体上随着颗粒半径的增大而增大;而当颗粒半径不变时,拉伸强度随着切槽倾角的增大而减小;当切槽倾角相同时,不同颗粒半径中心直切槽圆盘试样破裂模式显著不同,颗粒尺寸主要影响中心直切槽圆盘试样次生裂纹的萌生和扩展;边界对试样作的功首先用于克服颗粒间黏结以产生裂纹,裂纹在应变能的作用不断扩展,在裂纹产生之后,摩擦能才开始起作用;颗粒的运动程度很低,因此动能很小;边界能与抗拉强度总体上呈正比关系,即边界能越大,拉伸强度越大。     

岩石SHPB劈裂分析理论研究

为了分析岩石在冲击载荷下的动态劈裂破坏情况,通过分析巴西圆盘在动态劈裂和静态劈裂时表面应力分布均匀化的相似性,可以将静态劈裂时的弹性理论应用到动态劈裂当中,得到巴西圆盘在动态劈裂下的动态抗拉强度、动态抗压强度、应变率和应变的计算公式.应用三维非线性动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA,模拟巴西圆盘在分离式霍布金逊压杆实验装置上受冲击时动态劈裂的整个实验过程.基于动态抗拉强度公式和动态抗压强度公式,对试件的实际拉应力曲线与计算拉应力曲线进行对比,以及对实际压应力曲线与计算压应力曲线进行对比,通过对比曲线的相互吻合性证明数值模型适用于对岩石冲击劈裂破坏性质的研究.通过分析试样表面的应力均匀化过程以及试样表面对心压缩轴线上拉应力方向的应力分布情况,得出试样在对心压缩轴线表面上的破坏顺序是由从两个冲击端部向中心发展的;通过分析试样沿对心压缩轴线所切剖面上的拉应力分布,得出试样在厚度方向上的破坏顺序是由表面向内部发展的.     

石膏颗粒接触试验研究

利用岩石双轴流变试验仪,研究了石膏试件在单轴压缩和颗粒接触条件下的力学特性和破坏模式.结果表明:圆柱单轴压缩试件破坏模式为均匀受力下的一次性剪切破坏,球形颗粒接触试件破坏模式为应力集中下的颗粒破碎多次破坏;在利用离散元模型进行模拟时,同种材料单轴压缩试验的细观参数与颗粒接触试验的细观参数相差较大,不同的受力情况需要分别进行标定.     

红砂岩巴西劈裂强度和极限应变的尺寸效应

为研究红砂岩中巴西劈裂强度和破坏极限应变的尺寸效应,试验采用了直径50mm,高度分别为20、25、30、35、40、45、50mm等7组不同厚度的红砂岩圆盘试件进行巴西劈裂试验,同时在试件圆盘中央黏贴应变片监测试件加载直至破坏过程中的横向应变、纵向应变。试验发现,不同厚度下的红砂岩试件所得巴西劈裂抗拉强度不同,试验回归分析了红砂岩中巴西劈裂抗拉强度与厚度的关系,在20~30mm厚度范围内,劈拉强度随厚度的增加而增大,在30~50mm范围内,劈拉强度随厚度增加而无明显变化。     

含不同倾角裂隙类岩石试件力学参数试验研究

基于相似原理,制备出含不同角度裂隙类岩石试件及完整试件,分别对试件进行单轴压缩试验,测出其单轴峰值强度、弹性模量和泊松比;通过巴西劈裂法,测得含不同角度裂隙的试件及完整试件的抗拉强度;通过进行三轴压缩破坏试验,测出其三轴峰值强度,并结合单轴峰值强度,画出裂隙试件及完整试件的莫尔应力圆,从而计算出它们的内摩擦角、内聚力,然后分析这些力学参数的变化规律。     

温度对岩石类材料断裂性能的影响研究

根据CCCD-SHPB测试原理,利用平台巴西圆盘研究温度对岩石类材料断裂性能的影响,实验过程中通过控制加载脉冲,使得测试试件的加载速率基本一致,仅改变试件测试的环境温度.根据中心裂纹圆盘试件断裂韧性测试方法,在SHPB装置上完成岩石类材料的动态断裂韧度随温度变化的测试,获得了不同温度下中心裂纹巴西圆盘岩石试件的动态断裂韧度.     

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.     

粒度对红砂岩力学性质影响规律与机制试验研究

为研究颗粒粒度对岩石力学特性的影响规律,对不同粒度红砂岩进行了单轴压缩与巴西劈裂拉伸试验。研究表明:红砂岩试验试件密度、单轴抗压强度、弹性模量和单轴抗拉强度最大离散系数分别为0.74%、6.65%、1.12%、9.64%,试验所用红砂岩试件均质性良好;当砂岩颗粒粒度较大时,砂岩单轴抗拉强度、单轴抗压强度、弹性模量等都呈现偏低特征,细粒红砂岩单轴抗压强度、弹性模量、单轴抗拉强度分别是粗粒红砂岩1.28倍、1.19倍、1.62倍。颗粒作为砂岩最基本构成单位,其大小差异导致砂岩内部空间结构的改变,造成其矿物成分、微细观组构特征呈现差异性,进而影响其宏观物理性质,最终决定不同粒度红砂岩石具有相异力学特性。     

混凝土动态劈裂试验中的惯性效应研究

在商业有限元软件中采用应变率不敏感的材料本构模型对巴西圆盘动态劈裂试验进行了数值模拟,研究了不同厚径比以及平台巴西圆盘中平台角度对动态抗拉强度的影响。分析表明,动态劈裂试验中惯性效应对抗拉强度有比较大的影响,且惯性效应与试件尺寸、平台角度以及应变率有关。所得结果将为巴西圆盘动态劈裂试验设计提供参考,通过与试验数据的对比,可得到材料真实的应变率效应。     

半导体量子点中杂质结合能的理论研究

利用一维有限差分法,计算了一个圆柱形量子点中杂质基态的结合能,研究了电场、磁场和杂质位置对结合能的影响.当杂质位于量子点中心时,结合能随着电场和有效半径的增加而减小;当杂质位于过量子点中心且垂直于轴线的平面上时,结合能随杂质位置远离中心的变化呈对称变化;当杂质位于z轴上时,在电场的作用下这种对称性消失.     

混合型缓冲回填材料劈裂抗拉强度尺寸效应统计分析

高放废物深地质处置库中的混合型缓冲回填材料是由膨润土和各类掺合料压实而成的多相复合材料,在多组分混合与压制过程中其内部孔洞、微裂隙等缺陷随机分布,即使在相同试验条件下其抗拉强度值也表现出较大的变异性。为阐明试验试样厚径比对混合型缓冲回填材料劈裂抗拉强度的影响规律,针对不同厚径比试样开展了大量的巴西劈裂试验,探讨了不同厚径比试样抗拉强度统计特征及分布概型。结果表明：混合型缓冲回填材料试样劈裂抗拉强度与圆盘厚径比呈显著的幂函数关系,显著性检验结果小于0.05。混合型缓冲回填材料劈裂抗拉强度的均值、极差、标准差及变异系数都呈现出明显的尺寸效应。圆盘厚径比为1.0时,劈裂抗拉强度的极差、标准差及变异系数均最小,从统计特征来看,建议进行巴西劈裂试验时圆盘厚径比设定为1.0。根据K-S检验和有限比较法知圆盘厚径比不同,劈裂抗拉强度最优分布概型也不相同。常用的4种概率分布形式中的正态分布和威布尔分布能更好的描述混合型缓冲回填材料劈裂抗拉强度分布规律。     

超高性能混凝土配合比设计及其受拉性能

基于最大堆积密度理论,研究超高性能混凝土(UHPC)的配合比设计方法.采用修正的AndreasenAndersen法计算石英砂级配,通过密度试验确定水泥和硅灰的相对质量分数;根据单一变量试配试验确定砂胶质量比、水胶质量比和纤维体积分数,综合考虑抗压强度和工作性能2个因素确定最佳配合比.按最佳配合比制作立方体试件和轴心受拉试件,进行受压和单轴拉伸力学性能试验,研究UHPC受压和单轴受拉力学性能以及纤维体积分数对UHPC单轴受拉力学性能的影响.结果表明:按照最佳配合比制备的UHPC,其抗压强度为116.64~134.85MPa,抗拉强度为4.761~8.504MPa;随着纤维体积分数的增加,抗拉强度和韧性都大幅提高,试件也由脆性破坏转变为韧性破坏.研究成果可以为UHPC在国内的推广应用提供一定参考.     

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.     

典型盐岩力学特性分析

通过单轴、三轴压缩实验及劈裂等实验研究了湖北云应、江苏淮安和河南平顶山3 个地区层状盐矿岩样的短 期力学特性,并对不同地区及不同深度地层的纯盐岩力学特性进行比较分析。结果表明：（1）3 地区中单轴抗压强度 和弹性模量最大的岩样为泥岩和含泥岩的盐岩,而其泊松比却是最小的,证明了泥岩变形性能差的特性。含有不同杂 质的盐岩其抗压强度和弹性模量有所增加,其泊松比对杂质的变化不是太敏感。纯盐岩抗压强度、弹性模量和泊松比 随地层深度的增加而增大,取自较浅地层的岩样单轴实验有明显的压密阶段。（2）不同地区的岩样都有随围压的增大 峰值强度相应增大的规律。纯盐岩的内摩擦角基本都大于其他岩样的值,而黏聚力则都小于其他岩样的值。反映了纯 盐岩晶体颗粒大,含杂质少的特点。（3）不同地区的纯盐岩相对于其他岩样的抗拉强度最小。     

单颗粒增强复合材料破裂过程的数值模拟

采用MFPA^2D数值模拟软件,对单颗粒增强增韧脆性基复合材料在单轴拉伸荷载作用下经变形、损伤直至破坏的全过程进行模拟．模拟结果表明脆性基体分别加入复合刚性颗粒和柔性颗粒后具有不同的破坏机制,加入刚性颗粒对材料的强度没有的改善,而加入柔性颗粒后材料的强度虽有所下降,但材料的韧性可以得以显著提高．     

三种不同粒径砂岩的强度与破坏特征

为研究三种不同粒径砂岩在受载条件下的强度变化和破坏特征,选取同一地区的三种不同粒径的砂岩,分别进行了单轴压缩和巴西劈裂试验,借助基恩士超景深显微系统观察三种砂岩在受压、受拉破坏后裂隙周围岩石结构。试验结果表明：（1）砂岩随着粒径减小,颗粒比表面积增大,胶结及结构排列越密实,抗压（抗拉）强度越高,破坏形式由延展性逐渐转为脆性;（2）砂岩抗压强度随着粒径增大而降低,细砂岩较粉砂岩抗压强度降低了24.1%,粗砂岩较粉砂岩抗压强度降低了49.4%;（3）砂岩抗拉强度随着粒径增大而减小,细砂岩较粉砂岩抗拉强度降低了33.2%,粗砂岩较粉砂岩抗拉强度降低了52.3%;（4）砂岩抗压、抗拉强度随着粒径增加分别呈指数、幂函数减小的演化规律和变化特征。     

加荷速率与受力状态对高水材料凝结体力学参数的影响

针对高水材料凝结体在不同加荷速率及不同受力状态下的强度参数,选用水灰比为6∶1(含水率86%),研究当加荷速率变化时,高水材料凝结体抗压、抗拉及抗弯强度参数的变化情况。通过进行高水材料凝结体在不同加荷速率下的单轴压缩实验、拉伸实验和弯曲实验。实验结果表明,材料在单轴压缩时会因挤压而有一定程度的失水,同时材料表现出弹-塑性的特点。在拉伸和弯曲时,无出水情况,试样从中部直接被拉断。随着加荷速率的增大,高水材料凝结体的抗压、抗拉和抗弯强度都增大。在同一加荷速率下,高水材料凝结体的抗压强度抗弯强度抗拉强度。     

核壳粒子对PBT增韧改性研究

采用甲基丙烯酸甲酯(MMA)和丙烯酸丁酯(BA)合成了软核硬壳的核壳粒子,再用该核壳粒子改性聚对苯二甲酸二丁酯（PBT）。研究了核壳粒子合成工艺及添加量对PBT力学性能的影响,并研究了核壳粒子与马来酸酐接枝POE共同改性PBT的力学性能。结果表明,单体MMA和BA质量比为2/3时核壳粒子对PBT有较好的增强增韧效果;引发剂增加有利于减小核壳粒子粒径,有利于提高PBT的强度;核壳粒子与POE-g-MAH有共增韧效果,在基本不影响PBT强度下显著提高冲击性能。     

弯管中气固两相流冲蚀模拟研究

以某含有固体杂质微粒的输气过程为研究背景,运用ANSYS-FLUENT软件中E/CRC冲蚀磨损模型,对输气管道中的90°弯管进行气-固两相流的模拟计算,讨论不同的气体速度、固体杂质微粒的质量流率以及固体杂质微粒的微粒粒径对弯管的冲蚀磨损的影响.分析结果表明:气体入口速度越大,90°弯管的冲蚀率越大;固体杂质微粒质量流率越大,90°弯管的冲蚀率越大;当微粒粒径小于某一临界值时,微粒粒径越大,冲蚀率减小,当微粒粒径大于这一临界值时,微粒粒径越大,冲蚀率越大.在工程应用中可用于气体运输管道的检测,节约检测成本,提高管道输气的安全性.