陶瓷板和多孔渗透膜对非饱和土三轴试验的影响及其数值模拟

通过陶瓷板和多孔渗透膜两种轴平移技术的非饱和三轴试验，获得了吸力一定时真砂土（完全风化的花岗岩）的应力应变曲线及排水变形特征，并利用有限单元法对三轴试验进行数值模拟。试验结果表明，使用多孔渗透膜时试样的饱和度大于使用陶瓷板时的饱和度，且试样在剪切过程中排水量更小。数值计算得到的试样的应力应变曲线与三轴试验获得的基本一致。剪切过程中，试样内部的吸力和饱和度呈现不均匀分布，与陶瓷板相比，多孔渗透膜可以更好地控制剪切过程中试样的吸力。数值模拟结果表明，非饱和土三轴试验是一个边界值问题而非土体的单元力学行为。     

基于Voronoi块体模型的砂岩力学特性研究

PFC软件中球形颗粒和平行黏结接触模型(PBM)被广泛应用于岩石力学特性模拟研究.然而,球形颗粒和PBM存在两个明显缺陷:球形颗粒与岩石材料的晶粒形状相差较大;无侧限抗压强度与抗拉强度之比(压拉比)偏低.基于此,以山西吕梁地区典型砂岩为例,通过Voronoi剖分建立刚性块体数值试样,并使用软化黏结接触模型(SBM)对砂岩试样进行模拟分析.研究结果表明,基于刚性块体和SBM的数值模拟相较于传统基于球形颗粒和PBM的数值模拟而言,主要具有3个优点:与球形颗粒试样相比,刚性块体间自锁效应增大,刚性块体模型间的配位数明显提高,更能模拟真实砂岩的晶粒形状和晶粒间力学行为;软化黏结模型能模拟出砂岩更大的压拉比,更能真实表征砂岩在多应力路径下的力学特性;采用基于刚性块体和SBM的数值模型能够真实反映砂岩典型的剪切破坏模式.     

强冲击载荷下多孔钛动态力学性能实验及数值模拟

对多孔钛在强冲击载荷下的动态力学性能进行了实验和数值模拟研究. 通过一级轻气炮分别对孔隙率为30%的试样以及孔隙率为20%的试样进行冲击加载,得到了多孔钛在强冲击载荷下的冲击压力与时间的关系以及其他相关数据. 实验测试结果表明,冲击压力会因试件中孔洞的影响而发生衰减;多孔钛的压力峰值没有产生应力平台,显示出了强烈的衰减特性以及应变率相关的黏弹性特性. 本文同时依据实验,利用有限元程序对多孔钛的平板撞击实验进行了数值模拟,所得到的压力-时间曲线以及其他重要参数与实验值吻合较好.      

非饱和土力学行为的三维离散元分析

基于离散单元法颗粒流理论,土体颗粒单元间采用Hill接触模型来考虑非饱和土中吸力的作用,建立了非饱和土的颗粒流模型。根据室内试验结果对模型细观参数进行标定,开展了固结排水三轴剪切试验离散元数值模拟,揭示了在不同围压和吸力下,模型试样的应力-应变关系与强度特性等宏观力学性质以及细观信息平均配位数的变化规律。根据不同吸力下的莫尔-库伦破坏包线,建立了吸力与抗剪强度参数之间的关系。此外,通过标定室内试验结果中不同含水率下的应力-应变曲线,建立了Hill模型中吸力与含水率的关系。研究结果表明：Hill接触模型可以较好的模拟非饱和土的力学行为,可为非饱和土的离散元模拟提供参考。     

单轴压缩条件下岩石细观力学参数特性数值研究

基于ABAQUS提供的二次开发平台,建立数值试验模型研究了岩石中细观单元各主要力学参数与宏观响应的关系.模型采用Weibull分布来描述离散后岩石细观单元的力学性质参数,并应用Monte-Carlo方法编制程序进行单元力学参数的赋值.数值模拟结果表明:细观单元和宏观试样的弹性模量、强度之间具有良好的线性关系;岩石的宏观强度会随着细观单元的压拉比的降低而增大,其脆性则会随着单元均质度的增大而增加,而岩石宏观残余强度受细观单元残余强度影响很小.最后,通过岩石单轴压缩破坏过程的数值模拟与SEM试验结果对比,验证了数值模型的合理性.     

Y-TZP纳米陶瓷的制备、结构及力学性能

采用沉淀法制备的Y-TZP纳米粉体经冷压成型后烧结成Y-TZP纳米陶瓷.结果表明,Y-TZP纳米陶瓷的密度随着烧结温度的升高和烧结时间的延长而增大,但随成型压力和初始粉体颗粒的增大而减小.而陶瓷平均晶粒尺寸随成型压力的增大和烧结时间延长而长大.烧结过程中大量单斜相ZrO2生成改变了Y-TZP纳米陶瓷的烧结行为和微结构.采用无压烧结获得了相对密度为98%、平均晶粒尺寸为60 nm的Y-TZP纳米陶瓷.Y-TZP纳米陶瓷的显微硬度主要取决于陶瓷的相对密度、相结构和晶粒尺寸,即陶瓷的四方相质量分数越高,相对密度越大,晶粒尺寸越小,则显微硬度越高.     

烧结工艺对Bi_(3.5)La_(0.5)Ti_3O_(12)陶瓷显微结构及其性能的影响

采用共沉淀法制备了平均粒径约为191nm的Bi_(3.5)La_(0.5)Ti_3O_(12)粉末。对比研究了传统烧结、快速升温两步烧结和快速升温一步烧结三种烧结工艺对处于近纳米级Bi_(3.5)La_(0.5)Ti_3O_(12)坯体的致密化、最终陶瓷的显微结构以及介电性能的影响。研究结果表明,烧结过程的保温阶段,相同的保温时间下,快速升温两步烧结工艺在第二阶段保温温度比其他两种烧结工艺降低30℃的情况下制备的试样的密度较高,平均晶粒尺寸最小;传统烧结工艺制备的试样密度低于其它两种工艺的试样密度,且试样晶粒尺寸最大;快速升温一步烧结工艺制备的试样密度最大。介电测试结果表明,采用不同烧结升温工艺均保温8小时制备的试样的介电常数随着试样晶粒尺寸的增加而增大,居里温度点随着晶粒尺寸的增加而向高温方向移动。     

铂掺杂铋系超导陶瓷材料性能的研究

用氯铂酸铵对铋系超导陶瓷进行铂掺杂，既能改善Ｂｉ（Ｐｂ）ＳｒＣａＣｕＯ陶瓷的烧结性能，又可以提高其超导特性．通过ＸＲＤ和ＳＥＭ分析，发现一定含量的铂掺杂能促进铋系超导陶瓷晶粒定向排列．文中亦讨论了铂掺杂对铋系超导陶瓷材料磁化率和磁滞回线的影响．     

一种基于概率密度函数的DEM 试样生成法

离散元模拟颗粒材料力学性能时,为保证生成数值试样级配曲线的连续性以及与所需级配曲线的吻合性,基于概率密度函数法,提出一种用于制备颗粒流离散单元法数值试样的新方法。定义了级配的不匹配度参数,用来定量描述生成试样的级配曲线与原型级配曲线的偏差。对比了该方法和现有试样制备法,并讨论生成颗粒数目对生成试样级配曲线的影响。结果表明,该试样生成法能够模拟任意级配曲线的试样,且生成的数值试样级配曲线具有良好的连续性和光滑性。随着生成颗粒数目的增大,该试样生成法生成的试样级配曲线收敛于原型试样级配曲线。     

周期性多孔材料等效杨氏模量的尺度效应研究

随着航空航天与民用技术对多孔材料应用的广泛需求,对于该种轻质材料的研究达到了空前的高度.该文着重研究了周期性多孔材料等效杨氏模量的有效计算方法,在综合分析现有均匀化方法、G-A（Gibson and Ashby）细观力学方法、拉伸能量法无法反映体胞尺寸效应的基础上,提出了弯曲能量新方法,并对4种方法的预测效果进行了系统的研究,揭示了弯曲能量法的通用性、尺寸效应的预测能力以及与4种方法的内在联系与差异.以拉伸和弯曲两种力学加载模型的有限元数值计算结果以及文献给出的六边形蜂窝实测实验结果为基准,比较分析了4种方法在预测拉伸变形和弯曲挠度的计算精度.结果表明,弯曲能量法能很好地预测不同构型蜂窝单胞的等效杨氏模量及其尺寸效应,并能很好反映不同加载模式下结构变形随多孔材料体胞尺寸的变化规律包括六边形蜂窝的非单调变化趋势,而其他3种方法仅能预测体胞无限小时的极限结果.     

含孔洞大理岩破坏特性的颗粒流分析

基于室内单轴压缩试验结果,利用颗粒流程序PFC2D,模拟含预制孔洞大理岩在单轴和双轴压缩条件下的破坏过程,分析预制孔洞形状、围压大小以及岩石非均质性对大理岩力学特性和裂纹扩展的影响.数值结果表明:与完整大理岩试样相比,含孔洞试样的峰值强度显著降低,降低程度与孔洞形状有关;围压对含孔洞大理岩试样的力学特性和裂纹扩展有显著影响,含孔洞试样的峰值强度随围压的增加而增加,但偏应力峰值随围压的增加呈先增大后减小的变化趋势;试样的破坏模式与孔洞形状相关,含圆形孔洞试样为类X型剪切破坏,含矩形孔洞或马蹄形孔洞试样为对角剪切破坏;岩石内部的矿物结核影响了裂纹的扩展路径,从而改变试样的宏观破坏模式.微观机理分析表明:孔洞周边裂纹的萌生与扩展过程伴随着应力集中区的释放与转移;含孔洞试样的宏观裂纹有3种模式:孔壁剥落、拉伸裂纹和压剪裂纹.     

新型多孔磷石膏砌块保温隔热性能数值模拟分析

为研究新型多孔磷石膏砌块的保温隔热性能，建立数值模型，通过Fluent有限元模拟软件模拟其保温隔热性能，并引入当量导热系数对模型的保温隔热性能进行定量分析；基于圆形孔和椭圆形孔这2种孔洞形状，分析孔列数、孔洞率对多孔磷石膏砌块数值模型当量导热系数的影响，并对孔洞的布置进行优化探讨。研究结果表明：在保持模型孔洞率不变的情况下，通过增加孔列数可以提升其保温隔热性能；在保持模型尺寸不变的情况下，通过增大模型的孔洞率也可以提升其保温隔热性能；在保持模型尺寸和孔洞率一致的情况下，椭圆形孔相较于圆形孔具有更好的保温隔热性能，且错排列孔相较于规则排孔也具有更好的保温隔热性能。因此，新型多孔磷石膏砌块的最优模型为椭圆形错列孔模型。     

苏北粉土非线性特性离散元模拟与参数分析

离散元法对颗粒系统进行动态分析,在离散颗粒单元接触分析与宏观响应间建立联系,使其成为试验手段分析细观特性的有益补充.采用三维颗粒离散元程序YADE进行了颗粒细观参数的参数分析,分析细观参数对三轴试验宏观响应的影响.研究表明：弹性模量和泊松比不仅与接触法向刚度和刚度比有关,同时随粒间摩擦角变化;而固结和剪切两个阶段粒间摩擦角控制了试样的剪胀水平和孔隙率向临界孔隙率的发展趋势.根据参数分析结果,提出了改进的三轴试验细观参数的标定步骤,并对室内试验进行模拟.模拟结果与室内试验结果较为吻合,表明该数值方法应用于三轴非线性变形特性研究具有可行性.     

非饱和土三维离散元计算中宏-细观参数关系探究

提出了一种建立非饱和土体宏-细观参数之间关系的方法,来建立在不同孔隙比和含水率等初始条件下非饱和土在不同应力路径下的离散元计算模型;通过编制离散元程序,基于接触粘结模型,对现有的PFC3D(Particle Flow Code in three dimensions)离散元程序进行改进,从而对在不同颗粒间粘结强度下的离散元试样进行一维固结的数值模拟试验来确定其结构屈服应力,并以结构屈服应力为桥梁建立颗粒间粘结强度随含水率变化的函数关系,最后建立能够反映真实非饱和土试样颗粒级配和在不同含水量下的离散元数值模型,为通过PFC3D等三维离散元软件研究非饱和土的基本力学特性提供思路.     

格宾网加筋土强度和变形特性的三维离散元细观模拟

为揭示格宾网加筋土强度和变形特性的细观力学本质,利用PFC3D三维离散元计算平台的FISH语言编写数值伺服程序实现大三轴试验环境和土颗粒模型生成算法,模拟大三轴素土试样应力-应变宏观响应校正土颗粒细观参数;然后,引入平行黏结构造格宾网颗粒流模型,通过模拟其室内拉伸试验校正格宾网模型细观参数;在此基础上,建立格宾网加筋土大三轴试样的三维颗粒数值模型模拟格宾网加筋土应力-应变关系,揭示格宾网加筋土颗粒之间接触力和内部剪切位移场的渐进发展规律。研究结果表明:格宾网加筋土颗粒模型数值试验能对其力学机理做出定量和定性预测;在试样两端和两层格宾网之间,分别形成"八"字形和""形倾斜剪切带;随着试样围压增加,试样内部剪切带范围缩小;加筋层数较少时,剪切滑移带范围较大;土颗粒接触力在整个格宾网截面内分布较均匀,在两层格宾网之间集中到试样截面的中部。     

颗粒阻尼器减震控制的数值模拟

基于离散单元法,建立了颗粒阻尼器对多自由度结构进行减震控制的数值模拟方法,并介绍了系统参数的取值方法.该方法采用合理的计算时步和高效的接触检测算法,能较好地模拟颗粒间以及颗粒与容器壁之间的相互作用.开展了附加颗粒阻尼器的多层框架的振动台试验,通过试验结果与数值模拟结果的对比发现两者吻合良好,说明该数值方法可以较好地模拟颗粒阻尼器的减震控制效果.     

岩体隧洞损伤破坏过程实验及其颗粒流数值模拟

在以往有关节理模型实验和数值模拟的研究基础上,设计了几组含孔洞节理模型材料的压缩实验,并采用颗粒流软件Partide Flow Code(PFC2D)对模型实验过程进行数值模拟.以模型实验应力-应变曲线与数值模拟的曲线吻合作为PFC细观力学参数选取的准则,并利用获得的力学参数对含孔洞节理岩体破坏过程进行数值再现.分析了...     

人工肾透析过程的一维数值模拟

提出了模拟人工肾透析系统传质的一维非稳态数值方法 .该方法将人工肾中的中空纤维管离散为有限个微Krogh物理单元 ,对微单元利用Kedem Katchalsky方程进行循环计算 .模拟结果与实验结果吻合 ,说明该模拟方法可以很好地预测人工肾的传质情况     

纳米陶瓷材料的研究进展

纳米陶瓷是纳米材料的一个分支,是指平均晶粒尺寸小于100nm的陶瓷材料。纳米陶瓷的出现,为解决陶瓷材料脆性高、可加工性差、烧结温度高的缺陷带来了希望。陶瓷超塑性的主要问题是常温下形变率太小而不足以进行实际应用,假如可以解决此问题,那末陶瓷的脆性问题就有可能借助于纳米的途径解决,这是值得深入研究的必由之路。     

基于水平集接触算法的任意形态颗粒材料球谐离散元方法

为对自然环境或工业领域中非规则颗粒材料的力学特性进行精确计算,本文采用球谐函数发展了可描述任意几何颗粒形态的球谐离散元方法.考虑球谐单元的凹凸形态及多点接触特性,发展了基于水平集方法的任意形态接触算法,以准确计算单元间的接触方向和重叠量.该算法将不同形态的球谐单元离散为由一系列点组成的零水平集函数和空间离散水平集函数,并将单元间的接触问题转化为两个水平集函数间的求解问题.通过将一系列零水平集点代入邻居单元的空间离散水平集函数中进行三线性插值,可确定两个接触单元间的多接触点及作用力.为检验基于水平集算法的球谐离散元方法的可靠性,对单颗粒与刚性壁面的弹性碰撞、单颗粒自由下落和多颗粒动力堆积过程进行了离散元模拟,研究了颗粒的平动和转动动能随时间的变化规律.计算结果表明,基于水平集算法的球谐离散元方法可准确地计算单元间的接触碰撞作用,并可保证弹性碰撞时颗粒系统的能量守恒及非弹性碰撞时颗粒系统的能量衰减直至动能为零.在此基础之上进一步分析了不同表面凹凸特性对颗粒堆积中体积分数和平均配位数的影响,为任意形态颗粒材料的数值模拟提供了一种有效的离散元方法.