高温动态拉伸下NG TiAl弹塑性行为的数值模拟

基于率相关的晶体塑性理论,发展了更为合理的同时考虑位错滑移和形变孪晶作用、并计及温度影响的TiAl单晶本构模型.在此基础上,建立了能够反映晶粒随机取向的多晶有限元模型,对不同温度(室温～840℃)不同拉伸应变率(0.001～1 350/s)下NG TiAl的弹塑性力学行为进行了模拟.结果显示,模拟得到的应力应变曲线与试验结果基本一致,能够比较好地模拟NG TiAl在不同温度和应变率下的材料响应.还考察了形变孪晶对塑性变形的影响,结果表明孪晶为NG TiAl重要的变形方式之一;动态条件下孪晶的体积分数增大,从而提高了NG TiAl的塑性变形;而温度对孪晶体积分数演化的影响不明显.     

考虑孪晶内二次滑移的镁单晶细观本构模型

基于晶体塑性理论,建立了一个考虑滑移、形变孪晶以及孪晶内二次滑移的镁单晶弹-黏塑性细观本构模型,并在有限元软件ABAQUS的用户子程序UMAT中数值实现.利用该模型对镁单晶的室温平面压缩试验进行了模拟,研究了不同加载取向下镁单晶变形机制的演化规律.结果表明:镁单晶的变形机制与取向密切相关,其力学行为表现出强烈的各向异性特征;拉伸孪晶在特定取向下能够提供沿晶粒c方向伸长的变形,并引起晶粒的重取向;在某些变形状态下,当拉伸孪晶达到饱和体积分数后,孪晶内会出现二次滑移.     

基于晶体塑性理论的面心立方单晶变形研究

借助晶体塑性理论,通过ABAQUS/UMAT用户子程序的二次开发,实现了基于位错运动的塑性本构描述。通过晶体塑性有限元模拟,研究了单向拉伸过程中,晶体旋转及晶粒取向对变形结果的影响,获得了晶体旋转角度与应变的对应关系,晶粒初始取向对滑移启动及变形程度的影响规律;模拟结果与Schmid定律一致,验证开发的晶体塑性模型的正确性。     

拉伸轴与孪晶界角度对纳米孪晶材料变形行为的影响

基于纳米孪晶材料独特的微结构及其内部变形机制,建立了相交于孪晶界剪切变形和平行于孪晶界剪切变形的几何模型,采用有限元模拟的方法分析拉伸轴与孪晶界角度对纳米孪晶材料变形行为的影响。等效塑性应变演化过程表明:即使是相邻的晶粒,它们的应变分布也有很大不同,这都是因为拉伸轴与孪晶界角度的影响。通过合理调整角度,可以有效地延迟剪切带的出现。但是随着孪晶片层厚度的减小,角度的影响越来越薄弱。     

受荷工字型钢梁腹板开孔监测研究

通过对受荷工字型钢梁腹板开孔试验的实时监测,分析不同工况下钢梁开孔前后的受力特性,监测结果表明:在开孔率较小时气割开孔导致的温度应变远大于开孔引起的受荷应变,并且开孔时在钢梁下架设临时支撑可以有效地降低残余应变.同时,结合有限元模拟,讨论了开孔形状、尺寸对钢梁力学性能的影响,结果表明:孔径在200 mm以内是钢梁开孔的合理选择.有限元模拟与现场试验结果的比较表明了在钢梁开孔现场试验的必要性.     

钢-混组合结构开孔波折板剪力件静载推出试验

剪力件是组合梁桥中钢腹板和混凝土上下翼缘板连接的关键构造,研究开孔波折板剪力件的力学性能是该种连接件设计的关键环节。通过38个开孔波折板剪力件试件及8个开孔板(PBL)剪力件对比试件的静载推出试验,研究考虑不同参数影响的开孔波折板剪力件静载作用下的受力性能,并给出开孔波折板剪力件屈服承载力及极限承载力计算公式。研究结果表明:开孔波折板剪力件推出试验过程可以划分为外荷载达到屈服承载力之前的线性阶段、荷载由屈服承载力增加到极限承载力的塑性阶段以及破坏阶段;影响开孔波折板剪力件抗剪承载能力的主要参数为混凝土强度等级、开孔孔径、贯穿钢筋面积、开孔板厚度等。同等条件下,开孔波折板剪力件抗剪承载力比PBL剪力件提高约1.5倍;给出的计算公式物理意义明确,其计算结果与本文试验结果吻合较好,可用于开孔波折板剪力件的设计计算。     

高应变率加载下AZ31镁合金板材变形局域化各向异性

采用分离式Hopkinson压杆测试了AZ31镁合金板材的动态学性.使用金相显微镜观察微观组织特征.压缩方向与板面法向近似成0°,加载应变率为1200s-1时,变形局域化区域由孪晶组成 应变率为2800s-1时,由相互交叉成一定角度的孪晶带组成.压缩方向与板材法向成90°,加载应变率为1200s-1时,变形局域化区域由相互交叉成一定角度的孪晶组成 加载应变率为2800s-1时,由动态再结晶的小晶粒组成.压缩方向与板面法向成45°时,没有观察到类似的变形局域化.变形局域化降低了AZ31B镁合金的塑性,导致板材塑性各向异性.     

通风措施对于改善高桩码头上部结构耐久性的模拟分析

考虑到近海地区形成的盐雾易于在高桩梁板式码头的梁格空间内聚集,码头上部结构面临严重的大气区锈蚀风险,为从源头上降低锈蚀风险,基于优化结构物通风的思想,运用数值模拟方法构建了多组自然通风和单独设置风道的辅助通风模型模拟实际高桩码头梁格空间流场变化。结果表明,在自然通风组中当遮挡比为1.15时,梁格空间内自然通风形成的流场扰动最弱;针对处于这种不利情况下的码头结构,提出3种辅助通风措施(梁上开孔法、板上开孔法、联合开孔法),对其效果进行了对比。3种措施的开孔半径对梁格内部的空气流通特性变化趋势影响不大;孔径变小会大大降低梁格进风口区域空气的风速;结合施工难度和成本综合分析得知,板上开孔方案最优。     

预钻孔孔径对沉桩挤土效应的影响分析

为研究预钻孔孔径大小对沉桩挤土效应的影响,基于修正剑桥模型的圆孔扩张理论解答,把沉桩过程看作不排水的圆柱形孔扩张的过程,把桩周土体分为塑性区与弹性区,对比分析不同预钻孔孔径下沉桩产生的塑性区半径、桩土接触压力、桩周土体位移、孔隙水压力.分析表明土体性质及修正剑桥模型中的参数对挤土效应均有影响,其中各向同性超固结比对挤土效应的影响最大,当预钻孔孔径小于一定值时,孔径大小变化对挤土效应影响不明显.本文分析可以为沉桩工程提供理论参考.     

CVD金刚石薄膜微区孪晶的研究

采用扫描电镜观察了金刚石薄膜的表面组织形貌,使用电子背散射衍射(EBSD)技术检测了金刚石薄膜中的微区孪晶界分布.从晶体取向的角度研究了孪晶对金刚石薄膜微观织构影响的机理.结果表明,金刚石薄膜中存在大量孪晶,在薄膜生长过程中孪晶界比例逐渐增加.存在高阶孪晶转变现象,高频率孪晶会影响到薄膜的织构.     

热力耦合作用下圆形水工隧洞围岩弹塑性解析解

为研究圆形水工隧洞围岩弹塑性区受力特点,基于Mogi-Coulomb强度准则和弹塑性理论,考虑温度和衬砌结构的影响,推导热力耦合作用下水工隧洞围岩应力、洞壁位移和围岩塑性区半径的解析解。依托新疆某高地温水工隧洞工程进行计算分析,对中间主应力系数、温度、混凝土强度、衬砌厚度和围岩应力分布及塑性区半径间的关系展开参数分析。结果表明：温度变化产生的拉应力会使衬砌结构对围岩支反力减小,围岩塑性区半径和洞壁位移有所增大,隧洞岩体稳定性变差;中间主应力系数b对岩体强度影响较大,b=0.5时围岩塑性区半径明显小于不考虑中间主应力时的塑性区半径;提高混凝土强度和增加衬砌厚度在初始阶段都能明显限制围岩塑性区发展,虽后续效果都不佳,但增大衬砌厚度更能限制围岩塑性区发展。     

超高速碰撞下体心立方纯铁的变形孪晶

采用非火药驱动二级轻气炮技术将2017Al合金弹丸以3km/s速度撞击纯铁靶板,通过光学显微镜、扫描电镜和透射电镜研究了纯铁材料的微观组织演化.根据微观组织的不同特征可将纯铁靶板分为细晶区、高密度孪晶区和低密度孪晶区.在低密度孪晶区的主要变形方式为{112}面的孪晶,而高密度孪晶区主要变形方式为{112}面的孪晶和{110}、{112}及{123}面的位错之间的交互作用.超高速碰撞下孪晶形成机制与普通变形条件下没有区别,但是孪晶形貌区别较大,高密度位错聚集在孪晶界附近造成孪晶界面模糊;螺位错在孪晶界上分解导致沿着孪晶界发生弯曲和凹痕甚至孪晶的断裂.     

圆形效应靶薄板的冲击响应建模及参数影响分析

为了对压力测量效应靶变形与压力转换的影响因素进行研究,以圆形效应靶薄板为研究对象,在理想刚塑性理论的基础上,建立了冲击波压力作用下固支圆薄板的冲击响应模型,得到了薄板塑性变形与冲击波压力峰值、正压作用时间的映射关系。然后设计了外场爆炸冲击波测试试验,对冲击响应模型进行了验证;在此基础上,提出了薄板塑性变形与压力幅值转换的影响因子模型,讨论了不同参数对压力转换的影响。结果表明:建立的响应模型能够描述薄板在冲击波作用下的塑性变形,效应靶变形与压力的转换关系与冲击波正压作用时间和薄板直径有关,当正压作用时间大于10倍谐振周期时,变形与压力转换和正压作用时间无关;而在一定的正压作用时间范围内,影响因子随着薄板直径的减小而趋于稳定,减小直径可以提高效应靶的应用范围。可见,研究结果为压力效应靶的应用及结构设计提供了理论基础。     

小净距隧道在不同开挖方式下的力学效应分析

结合某公路隧道出口端隧道间距较小的实际情况，运用数值计算的方法，对软岩条件下小净距隧道在不同开挖方式下达到稳定后围岩和复合衬砌的力学效应进行了分析，同时，考察不同净距对中夹岩墙塑性区的影响。结果表明：施工小净距隧道应慎重选择后继施工隧道的开挖方式；后继隧道施工的开挖方式直接对先行既有隧道锚杆、喷射混凝土和二次衬砌应力状态产生很大影响；中夹岩墙塑性区大小与净距紧密相关，同时，隧道埋深和围岩类别也是影响塑性区大小的重要因素。     

基于机器学习的锚固岩质边坡变形预测

锚索锚固是一种广泛使用的边坡加固技术,锚固性能的研究是锚固的核心问题之一。利用有限差分程序建立324组物理力学参数不同的锚固边坡,组成包括锚索参数和岩土体性质参数的9维输入指标和以沉降位移和塑性区面积为输出指标的数据集,分析输入输出指标间的关系。随后用随机森林和神经网络方法学习数据并建立层状边坡变形预测模型。分析显示,边坡沉降位移和塑性区面积预测结果变化对锚索性质参数中锚索总长度变化最敏感,锚固力的变化影响最小;其次岩土体物理力学性质中边坡力学指标黏聚力、内摩擦角起主要影响作用,岩土体密度变化影响最小;对预测结果的误差分析表明随机森林变形预测模型预测准确性比BP神经网络变形预测模型高5%~10%;模型预测沉降的偏差率小于预测塑性区面积的偏差率。研究表明随机森林算法在锚固效果预测问题上更加具有适用性,通过建立预测模型可以快速预测锚固边坡沉降位移和塑性区面积,指导锚固方案优化和变形控制设计。     

不同性质外液对煤与瓦斯突出防治效果影响

针对煤层注水防止工作面煤与瓦斯突出问题,以七台河新兴煤矿92#煤层工作面生产条件为背景,采用数值模拟研究和现场工业试验相结合的方法,研究了注入介质为纯水和表面活性剂溶液时,其对工作面钻孔围岩塑性浸润区和工作面垂直应力分布规律的影响。结果表明:具有煤与瓦斯突出危险的回采工作面预采煤体注液后,能够降低应力峰值、增加峰值距、扩大应力增高区的覆盖范围,从而使防突效果提高;防突效果的提高程度与所注入的外液性质有关,表现为表面活性剂溶液强于纯水;钻孔注液后,孔间塑性浸润区的发展状态与注液压力及所注入的流体介质性质有关。相同流体介质条件下,注液压力越大,塑性浸润区的发育范围也越大;在纯水中加入表面活性剂之后,其孔间塑性浸润区的发育不仅范围更大,速度更快,且在各方向上更为均匀。该研究对注水防止煤与瓦斯突出具有很好的实际指导意义。     

缓倾薄层弱结构松动圈声波测试时测孔布置的理论依据与验证

从层状岩体的力学特性、声波在层状岩体中的传播规律、围岩塑性区和剪裂区的分布特征3个方面,对缓倾薄层弱结构松动圈声波测试测孔布置的理论依据进行研究,提出声波测孔布置3项基本原则,即:巷道两帮测孔顺层布置;顶底板测孔垂直于岩层布置;塑性区和剪裂区较大部位加大声波测孔控制深度.基于测孔布置的理论和原则,在工程中合理设计声波测孔布置方式.基于测孔布置的理论和原则,在某矿山巷道松动圈声波测试时改进声波测孔布置方式.测试结果表明:顺层和垂直于岩层的测孔布置方式获得的纵波波速vp与孔深L的曲线规律明显,克服了常规布置方式带来的vp-L曲线无序变化的缺陷,可容易确定出倾斜薄层弱结构松动圈范围.     

A new quantitative relation between deformation texturesand corresponding mechanical properties of FCC metals

Quantitative analysis of deformation-induced textures and texture-induced mechanical properties is an important issue for optimal design and control of plastic forming of metals.Deformation-induced textures were predicted through the crystal plasticity finite-element method(CPFEM)in this study,and varying deformation modes,including uniaxial compression,uniaxial tension,simple shear,and plane-strain compression,were considered.The predicted textures were proven by experiments.Then,a theoretical model was proposed to build the quantitative relation between textures and the corresponding mechanical properties.This model takes into account the effects of grain’s orientation,grain’s interaction,and the property in the level of single grain.It captures the macroscopic anisotropy owing to textures and microscopic anisotropy owing to crystallographic structures.By applying this model,the macroscopic stress responses of grains’aggregate with varying textures were calculated according to grain’s orientations and the intrinsic properties of the single crystal along[100]and[111]crystallographic directions.The theoretical model is proven to have high efficiency and acceptable accuracy in the prediction of texture-induced mechanical properties comparing with CPFEM model.     

基于非均匀微观组织的纯铁板抗拉性能

为研究纯铁板制作过程中由微观组织的非均匀性对其力学性能产生的影响,以DT4C、DT4E板材为研究对象,探究纯铁板在不同厚度、拉伸速率及取样方向下应力应变曲线的变化规律,探索其对纯铁板拉伸性能的影响,得出纯铁板宏观物理特性的非均匀性变化规律。结果表明：取样方向对拉伸性能影响较小;板材厚度为0.5mm-2mm时,屈服强度与厚度呈正比关系,纯铁板拉伸性能在厚度方向上具有尺寸效应;同拉伸速率下,延伸率随厚度的增大先增大后减小,呈抛物状分布,存在一个最优厚度2mm使得纯铁板的力学性能充分发挥;铁板内部构造的非均匀性决定了同种材料不同取样位置的试件力学性能的差异性。