风机叶片根部连接螺栓的弯曲疲劳试验研究

在叶轮旋转过程中,位于风机叶片根部用于紧固的连接螺栓因受到周期性的弯曲应力而容易疲劳.弯曲疲劳是造成螺栓松弛、损伤甚至断裂的重要原因.本研究以某风电厂2 MW风机高强连接螺栓为研究对象,利用PQ1-6弯曲疲劳试验机开展螺栓试样的旋转弯曲试验研究;通过宏观分析、化学成分分析、显微组织检测及扫描电子显微镜断口微观分析等方法,探究试验过程中螺栓材料的组织演变规律,研究螺栓失效的微观机理及其疲劳损伤的发展过程.结果 表明:在250 N的负荷下螺栓的旋转弯曲疲劳寿命为76200周次;由旋转弯曲疲劳载荷引起的螺栓试样组织演变和疲劳损伤累积呈全域性分布特点,并在螺栓试样材料的不同部位形成了疲劳影响带,且其距离断口越近材料组织的疲劳损伤程度越大;疲劳损伤带由表及里向试样内部扩展;断口处疲劳裂纹从试样表面开始萌生,断裂机理为韧性断裂;螺栓材料中的夹杂物加剧了弯曲疲劳裂纹的集中和扩展,进一步缩短了螺栓的疲劳寿命.     

圆柱孔破损膨胀土扫描数据的三维重建研究

运用多功能CT-三轴仪对三轴剪切试验过程中的土体断层进行扫描,得到了土体断层不同试验阶段的CT图片.从这些扫描图片中提取试样的ME值(平均密度)、SD值(不均匀程度)、试样横断面面积、孔洞面积等信息.运用MATLAB软件对这些信息进行三维立体建模,得到了试验过程中土体不同阶段的三维立体模型.这些三维立体模型反映了土体在剪切过程中整体结构和内部结构的演变情况,解决了以往CT-三轴试验只能从二维角度研究土体结构演变的问题.重建结果表明:三维立体模型对土体整体和内部结构以及各种孔径的变化规律反映得更准确;三维切片可以反映试样断面的演变,有助于我们在三轴剪切过程中更详细地了解试样内部结构的演化规律;经观察发现,不同圆柱孔破损面积对试样剪切过程中试样和孔洞的结构演化形式存在影响.     

工艺强化后轿车等速万向传动轴材料扭转断裂研究

以工艺强化后某轿车等速万向传动中间轴材料试样的扭转断裂为对象,试验研究了不同载荷强化和损伤后试样的静扭转断裂和疲劳扭转断裂断口形貌、断口硬度特性以及剩余静强度、剩余静刚度和断口硬度之间的相互关系和变化规律.研究结果表明,无论是经过小载荷强化还是疲劳大载荷损伤的材料试样,其静扭转断裂断口都是横向剪切断裂且断口十分平齐;材料试样无论是否经历强化或损伤,其疲劳断裂断口呈现正断或横向切断不平齐两种形貌,正断和横向切断不平齐两种疲劳断口形貌与试样的强化过程、损伤过程以及试样的疲劳寿命之间没有明显的内在关系;疲劳过程中试样的剩余静强度、剩余静刚度和断口平均硬度的变化趋势和规律基本一致.     

2.5D C/C编织复合材料损伤演化试验研究

为研究2.5D C/C(碳/碳)编织复合材料的失效机理,对矩形截面试样开展损伤演化模拟试验.针对轴向加卸载过程中的应变响应,使用弹性模量法逐级计算试样损伤值,研究其损伤演化过程和规律;结合试样断口分析,总结不同失效模式对应的损伤效应.试验结果表明:2.5D C/C编织复合材料的失效位置具有分散性,失效模式具有多样性特征;分层破坏时损伤累积较小,损伤值达到10%～13%时试样即发生破坏,且裂纹只在层间扩展;纤维拔出和断裂时损伤累积效应较明显,在试样断口附近正反两面损伤演化过程均较显著,损伤值达到20%～25%时试样破坏.     

焊接结构损伤区细观裂纹扩展的分形特征及其多尺度损伤表征

为了研究焊接结构破坏过程中的宏细观损伤演化特征及其表征方法,以含细观裂纹的焊接构件为对象,采用X-CT(X射线计算机断层扫描)和电测技术同步记录试样内部细观结构和宏观力学性能变化过程.实验发现,试样变形过程中试样在弹性模量减小的同时,其内部细观裂纹不断萌生、扩展和聚合,扩展形态表现出显著的分形特征,且分形维数随试样塑性变形呈线性增加的趋势.综合考虑裂纹扩展形态的分形维数度量与裂纹扩展的物理意义,提出了一种多尺度损伤表征方法,以同时描述结构宏观损伤特性与内部细观裂纹扩展特性,并用传统的损伤量化方法进行验证.结果表明,新的多尺度损伤表征方法能够很好地描述细观裂纹到宏观损伤的多尺度演化过程.     

TiAl基合金双态组织原位拉伸-卸载试验研究

通过对TiAl基合金不同类型的缺口试样进行原位拉伸-卸载实验及其SEM断裂表面观察,研究了TiAl基合金的断裂机理.研究发现,对于缺口试样,裂纹起裂于缺口根部,其断裂过程主要是主裂纹首先起裂、扩展并最后断裂.对于双态组织,由于晶粒尺寸小,应力集中出现在缺口根部,裂纹沿晶粒边界和层间起裂并扩展,裂纹路径比较平直.在拉伸过程中,试样产生微裂纹导致材料发生损伤,随后卸载再加载时,与先前相比,裂纹更易扩展.预损伤加快了裂纹的产生和扩展,使损伤进一步加重,促使材料抵抗裂纹产生、扩展的能力下降.     

混凝土破裂过程细观损伤与渗流耦合模拟

假定混凝土是由骨料、砂浆、界面和随机微缺陷组成的四相复合材料,并据此假定建立了混凝土四相复合材料的细观力学模型,导出了混凝土弹塑性损伤-渗流耦合本构方程,同时数值模拟了试样破裂过程,基于细观尺度研究了混凝土弹塑性损伤-渗流耦合问题.结果表明:混凝土渗透系数的变化与混凝土试样弹塑性损伤破裂全过程密切相关;破坏的细观单元成为渗流的主要通道.     

IF钢生产过程中的织构演变

对IF钢生产过程中热轧、冷轧及退火试样的织构演变进行研究.分别借助EBSD和XRD测定和计算了热轧、退火及冷轧试样的取向分布函数及相关织构组分的体积分数.结果发现,热轧板在变形过程中发生了动态再结晶,晶粒为细小的等轴晶,为后续组织发展提供了基础;热轧后试样中的织构很弱,不会影响冷轧织构组分及含量.冷轧过程是织构形成的主要过程,试样中含有4种主要的织构组分:{001}〈110〉、{111｝〈110〉、{111}〈112〉和{112}〈110〉.退火过程中发生再结晶,4种冷轧织构组分在退火过程中均分别转变为{111｝面织构.     

爆炸载荷对水泥试样损伤破坏规律研究

从实验和数值模拟两方面对爆炸载荷对水泥试样的损伤破坏进行了研究.首先,在水中利用爆炸产生的爆炸冲击波对水泥试样进行损伤破坏,模拟"层内爆炸"采油技术中激波使岩石损伤开裂的现象;然后,利用波动力学理论,对激波在实验条件下对水泥试样的损伤破坏进行了数值模拟.结果表明,在冲击载荷作用下,水泥试样的损伤破坏可分为压实破坏、压实损伤、拉伸损伤、拉伸破坏4个区域,在压实损伤区水泥试样也具有较好的渗透性.数值模拟可以用来确定各种裂纹形成的应力条件,并可通过预制剖面上的裂纹分布来预测水泥试样内部裂纹分布的基本规律.     

钢筋锈蚀所导致的混凝土损伤演变过程分析

钢筋锈蚀将会导致混凝土产生损伤,运用损伤力学研究混凝土结构内由钢筋锈蚀所引起的混凝土的损伤演变过程。通过定义混凝土的损伤度,建立了其随钢筋腐蚀电流密度和钢筋腐蚀时间变化的关系式,由此反映了此过程混凝土的损伤演变过程。     

不同围压下水泥砂浆三轴压缩试验研究

对圆柱型水泥砂浆试样进行了不用围压、相同渗压下的三轴压缩试验,并对其强度特征和渗透规律进行了研究.结果表明,随着围压的增加,试样的峰值强度增大,围压提高了试样的强度;当偏应力达到临界值后,试样损伤随着偏应力的增大而增加;损伤与渗透率呈指数关系,渗透率随损伤的增大而增加.     

单轴压缩荷载下红砂岩破裂失稳损伤演化特征

为了揭示受载岩体的损伤孕育模式和破坏前兆特征,文中研究了轴向压缩荷载下红砂岩的损伤演化规律,分析了试样临界加速失稳阶段AE响应特征和破裂类型特征。研究表明：轴向压缩荷载下红砂岩主要发生脆断破坏,其破坏孕育过程分为稳定变形阶段和临界加速失稳破坏阶段。在临界加速失稳破坏阶段,AE事件率存在典型的相对平静期破坏前兆;基于试样损伤演化速率差异定义了第一损伤点,基于试样宏观破坏差异和AE事件率特征定义了第二损伤点,可以用于区分和评价岩石的损伤破坏状态;轴向压缩荷载下红砂岩的损伤演化模式符合指数型函数特征,存在临界加速失稳现象;在临界加速损伤阶段,试样内部的张拉破裂和剪切破裂会显著增长。     

金属材料细观结构损伤过程的数学模型

文章对两种金属材料在拉伸过程中的内界面演化行为进行了研究.测定了拉伸试样纵向剖面上的内界面细观统计参量,得到了材料从变形-损伤-断裂的数学模型,并分析了材料变形过程中的变化规律.结果发现,随变形量的增加,形状因子呈现缓慢增加、基本稳定和加速增加的变化趋势;材料的损伤也呈现出由缓慢损伤到损伤稳定发展最后加速损伤的演化过程,并求得了出现加速损伤的临界损伤因子.     

煤岩非线性损伤试验及理论模型

为了研究煤岩材料的损伤演化过程,分别对煤和砂岩试样进行了轴向应变控制、定常环向应变控制、不同围压下的单轴压缩和三轴压缩试验研究,观察煤岩的实验损伤演化过程;对试验数据进行分析,结合煤样的变形损伤特征,基于损伤力学和热力学基本原理,推导并建立了煤岩非线性损伤演化方程和煤岩试样非线性损伤本构方程.通过试验结果验证了煤岩材料的非线性损伤理论的合理性,同时也丰富了煤岩损伤理论体系.     

CT尺度下冻融岩石细观损伤特性分析

为研究冻融环境下岩石细观损伤演化规律,以红砂岩为研究对象,首先进行冻融循环试验,再对经历0次,5次,10次,20次和40次冻融循环的试样进行CT扫描.采用K均值聚类算法实现了扫描图像的二维孔隙识别;通过三维重构再现了红砂岩的冻融破坏模式,确定了试样的有效承载区,在细观层面实现了对岩石冻融损伤的定量分析.结果表明:通过K均值聚类算法确定阈值,可以有效实现CT图像的二值化;三维重构后的模型可以再现红砂岩试样在冻融过程中的损伤模式以及内部孔隙的发育特征;随冻融循环次数的增加,基于有效承载区定义的损伤变量逐渐增大,并与孔隙的发育趋势一致,能有效地反映冻融循环作用下岩石的损伤演化规律,为冻融岩石细观损伤研究提供了一种切实可行的方法.     

不同围压下柱状节理岩体三轴力学试验研究

为了研究白鹤滩水电站坝址区柱状节理岩体的力学性质,采用相似原理制作与柱状节理岩体结构和物理力学性质相近的柱状节理物理模型试样,借助岩石全自动三轴流变伺服系统,开展了不同围压条件下柱状节理模型试样三轴力学试验研究,分析了不同围压对柱状节理岩体的强度、破坏模式和损伤的影响.研究结果表明:柱状节理模型试样的峰值强度与围压呈正相关关系;柱状节理模型试样在较低围压作用下沿节理面的滑移破坏,在较高围压作用下破坏模式为剪切滑移破坏;在三轴压缩过程中,围压对减缓柱状节理岩样的轴向损伤有一定的影响.     

基于能量原理的页岩损伤破裂研究

岩石变形破坏过程本质上是能量耗散的损伤演化过程.为研究页岩压缩变形及损伤破裂特征,本文建立了基于轴向应变的损伤变量,并将其引入基于损伤能量释放率建立的损伤演化方程.结合不同层理角度页岩单轴循环荷载试验结果,验证了该损伤演化方程可用于描述单轴循环荷载下页岩损伤演化过程.在此基础上,定义了可用于定量评价页岩压裂缝网复杂程度的新指标C_A.通过计算与不同页岩试样破裂形态相应的C_A,发现C_A与页岩破裂形态的复杂程度具有较好的正相关性,可作为评价页岩压裂效果的指标.此外,C_A的计算结果表明,加载方向和页岩原生层理面的夹角越大,对应的岩石试样破裂形态越复杂.     

基于最小能耗原理的花岗岩蠕变损伤分析

为了研究花岗岩蠕变损伤特性,采用MTS815.02岩石力学测试系统对花岗岩试样进行了三轴加载试验和分级加载蠕变试验,基于最小耗能原理、广义胡克定律和应变等效原理建立了弹性损伤方程和改进了非线性损伤蠕变模型,分析了花岗岩损伤变量与泊松比之间的变化规律和蠕变损伤过程.研究结果表明基于能量原理并结合任意阶段应力应变状态的损伤方程更合理地描述了岩石损伤发展过程.在耗能过程中损伤泊松比对岩石损伤起重要作用,损伤变量随着泊松比的增加而非线性增加,并逐渐趋于稳定,改进模型计算结果与试验曲线相吻合,较好地描述了岩石衰减蠕变、等速蠕变和加速蠕变的全过程;在岩石蠕变前期损伤速率较为平缓,进入加速蠕变阶段后随着微裂纹在强度弱化区汇聚,损伤速率直线升高且损伤变量突然增大.     

高温对花岗岩细观及宏观力学断裂特性的影响

为了研究高温环境下花岗岩材料力学性质与断裂力学性质的细观与宏观损伤机制,对直切槽式巴西圆盘试样(CSTBD)进行高温处理,冷却后借助于全自动电液伺服压力机进行巴西圆盘试样劈裂试验,并分别从细观和宏观角度对静力学断裂过程进行分析.研究结果表明:花岗岩的纵波波速在处理温度为600℃时降幅最大,花岗岩损伤因子达到0.832,...     

冻融循环作用下碱激发矿渣浆体孔结构变化试验研究

为了探究在不同冻融环境下碱矿渣浆体孔结构的演化规律,采用硅酸钠激发矿渣粉制成碱矿渣试样(水胶比为0.4和0.5),分别以碱溶液和去离子水为冻融介质进行冻融试验.采用氮气吸附法和压汞法研究了不同冻融水环境下碱矿渣浆体孔结构的演变情况,采用了X射线荧光光谱分析研究了离子的浸出作用.结果表明,冻融循环作用主要使碱激发矿渣浆体产生了空间狭窄而具有较大表面积的孔隙,即裂隙孔和微裂缝等,主要分布在2～10 nm范围内.以碱溶液为冻融介质的试样的抗冻性明显优于以去离子水为冻融介质的试样,碱溶液对碱激发矿渣具有养护作用;以去离子水为冻融介质的试样因内外高浓度差而会产生离子浸出作用,进而破坏了孔溶液环境,产生了更大程度的冻融损伤.