TB5钛合金板试件疲劳破坏过程的宏微观跨尺度数值模拟

为了研究TB5钛合金板试件从微观初始缺陷到宏观疲劳断裂全过程中的跨尺度数值模拟问题,以约束应力表征材料的疲劳损伤度,以约束应力区裂纹模型描述材料从微观到宏观的疲劳破坏过程,以应变能密度因子作为宏微观跨尺度疲劳裂纹扩张的控制参量,发展了一种宏微观跨尺度疲劳破坏过程的数值模拟方法。在该模型中,可通过疲劳源处材料初始缺陷大小和3个尺度效应函数来表征材料微观因素对疲劳破坏过程的影响。对TB5钛合金光滑板试件(应力集中系数Kt=1)和含切口板试件(Kt=3)进行了数值模拟计算,结果表明,计算S-N曲线与试验S-N曲线能够精准吻合。通过考虑微观效应,其疲劳寿命试验数据的离散性也可由模型计算结果得以体现。     

灰铸铁拉伸与扭转破坏实验的强度条件分析

针对常用强度理论脆性材料在复杂应力状态下的生断裂破坏,理论计算与试验结果误差较大这一问题,对铸铁材料的拉伸破坏及扭转破坏实验的结果进行了分析。研究了复杂应力状态下单元体内各物理量对材料生断裂的影响,修正了第一、第二强度理论,给出了一个铸铁性断裂的强度条件。新的强度条件能较好解释铸铁材料的拉伸、扭转破坏实验结果。     

钢筋混凝土梁受弯破坏机理尺寸效应试验研究

针对尺寸效应特性对梁构件受弯破坏的影响机理,对不同截面尺寸简支梁相似试件开展单调加载试验,测试构件在不同加载阶段的承载力、挠度和截面应变等试验数据.按不同加载阶段分析其力学性能的影响因素,并阐述其破坏机理的尺寸效应.试验分析表明,混凝土材料抗压特性在受弯构件力学性能中表现为负面尺寸效应,这种负面尺寸效应对构件整体力学行为的影响并不显著.相比之下,内力臂和钢筋等因素对试件承载力和延性均产生显著的正面影响.随截面尺寸增大,受弯承载力和延性均呈增长趋势.根据试件在不同尺度上表现出的显著破坏特征和实测数据,推导相关计算参数随试件尺寸的关系,建立考虑尺寸效应的极限承载力计算方程.同时也验证了现有极限承载力计算理论的安全性.     

钢-混凝土组合螺栓连接件极限强度及剪力-位移关系

对11个装配式剪力墙的钢-混凝土组合螺栓(SCCB)连接件进行单调拉伸试验,借鉴传统螺栓连接件的计算方法并考虑盖板翘曲影响,推导出SCCB连接件的极限强度计算方法.将SCCB连接件剪力-位移曲线分为弹性阶段、滑移阶段和滑移后阶段;考虑SCCB连接件栓杆较长、混凝土受芯板约束的特点,对2种已有螺栓连接件剪力-位移关系经验模型进行修正并应用于滑移后阶段.结果表明:试验中存在孔壁挤压和栓杆剪断2种破坏模式,多数试件在破坏过程中伴随盖板翘曲现象;极限强度计算值与试验值吻合较好,试验值与计算值比值的均值和变异系数分别为1.03和0.089;修正Rex模型和修正Liu模型均可较好地反映连接件在单调拉伸荷载作用下发生孔壁挤压破坏时的剪力-位移关系.     

灰铸铁抗拉强度测量方法比较

采用灰铸铁材料进行圆环劈裂试验、扭转试验、四点弯曲试验和直接拉伸试验,得到上述4种抗拉强度测量方法的结果比值约为2.87∶1.33∶1.17∶1。四点弯曲试验的测量结果与直接拉伸试验结果接近。结合文献中的试验数据,发现铸铁、岩石、混凝土等不同脆性材料的间接拉伸试验结果与直接拉伸试验结果比值相近,于是可给出带修正系数的通用间接测量抗拉强度公式。有限元分析表明,间接拉伸试验中试件断裂面上不是均匀应力,当断裂面的小部分单元达到应力极限时只产生微观裂纹,并没有发生整体破坏,当断裂面上大部分单元都达到应力极限时才会丧失承载能力,发生宏观破坏,这可能是导致不同测量方法结果不一致的原因。     

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.     

早期预拌混凝土抗拉性能的试验研究

在混凝土工程中包括强度和极限拉伸的抗拉力学性能是很重要的指标,然而因轴心受拉试验存在难度以及国内外对极限拉伸没有统一的试验方法造成相关的试验研究结果离散.为较精确地得到混凝土轴心抗拉和劈裂强度之间的关系以及早期拉伸变形值,利用自行设计制作的混凝土轴心受拉试验装置成功地解决了试件对中困难的问题,并对工程中常用的三个强度等级的预拌混凝土进行了4个龄期(3d,7d,14d,28d)的试验,得出了预拌混凝土强度、轴拉弹性模量和极限拉伸值随龄期的变化规律以及极限拉伸变形值的估算公式.轴拉和劈裂强度之比随龄期增长而减小,二者微观破坏机理不同;拉压关系与规范公式符合较好.     

含孔复合材料厚板渐进失效分析

基于厚板理论和材料的参数退化准则,以三维HASHIN准则作为失效判据,研究了一种考虑Z向应力复合材料层压板结构的渐进失效计算方法,发展了复合材料中厚尺度含孔层压板渐进失效模型。使用ABAQUS软件的用户材料子程序UMAT,编写材料属性程序,建立含孔复合材料厚板的渐进失效分析模型,较好地预测了复合材料层压板的损伤扩展过程,并预测的极限强度与复合材料层压板开孔拉伸标准试验的试验数据吻合较好,验证了该模型在预测复合材料层压板极限强度上的有效性,该模型在对网格划分的简化极大地提高了计算效率。     

开孔板加劲型压型钢板加固混凝土界面黏结-滑移机理

为研究开孔板(perfobond leiste,PBL)加劲型压型钢板加固混凝土界面黏结-滑移机理,首先设计了3组试件进行推出试验,分析了其破坏形态、极限荷载值和滑移量,然后在试验基础上建立了有限元模型,分析了PBL连接件极限荷载值的影响参数.研究结果表明:PBL连接件破坏分为弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段3个阶段,试件破坏时混凝土出现贯通裂缝,底部混凝土剥落,试件为混凝土剪切破坏,且为延性破坏.影响PBL连接件极限承载力的参数主要有贯穿钢筋、黏结摩擦力、混凝土强度、开孔直径和PBL厚度,其中贯穿钢筋影响最明显,有贯穿钢筋的试件比无贯穿钢筋的试件极限承载力提高了约73.8％,贯穿钢筋也可以提高极限滑移量,增加延性.黏结摩擦力通常作为安全储备,混凝土强度和开孔直径的增加也可显著提高极限承载力,而PBL厚度影响不显著,开孔钢板强度对极限承载力基本无影响.     

焊接缺陷对角焊接T-型节点承载能力的影响

对包含多种焊接缺陷(T1)和焊接质量高(T2)的两种角焊接T- 型节点受弯下的力学性能进行了试验研究.焊接缺陷通过金相试验检查,试件的母材、焊材及热影响区的材料特性均由拉伸及硬度试验测得.试验考虑了受弯时两种节点的力-应变曲线、破坏形式、破坏机理,并将试验结果与规范规定的设计承载力进行了对比.结果表明,T1 试件的破坏荷载远低于规范设计值,而T2试件的破坏荷载比设计值高30%～40%.采用有限元方法模拟了节点试验,给出了试件的应变发展过程及其应力分布规律;结合对破坏起始位置及裂纹扩展路径的研究表明,焊接缺陷是T1试件强度不足的主因.     

聚合物材料的拉伸断裂研究

对九种聚合物材料进行了拉伸试验，结果表明：应变速率对屈服强度的影响服从Ｅｇｒｉｎｇ关系，增强尼龙存在的两个活化过程分别对应着基体材料屈服为主导因素和纤维断裂及其从基体中拔出为主导因素的两个不同活化过程。缺陷对聚合物材料拉伸屈服强度影响不大，但大大降低聚合物材料的塑性。     

宏观面内剪切作用下多尺度裂纹模型的耦合闭合解

裂纹在面内剪切荷载作用下,宏观应力场呈反对称分布,微观应力场将不再具有反对称性,可能是面内拉伸与面内剪切的混合型分布.另外,考虑微观裂纹前还有一个刃型位错区,据此建立起一个多尺度嵌套的裂纹模型,可以描述从原子尺度下的刃型位错区过渡到Ⅰ、Ⅱ复合型微观裂纹,再过渡到Ⅱ型宏观裂纹.材料不同尺度下的损伤,通过约束过渡区相连接,引入尺度变换因子的概念,并利用位移连续性条件与应力场匹配条件,求解出多尺度耦合问题的闭合形式的解.通过数值计算,讨论了材料宏观力学性能对不同尺度下各影响因素的的敏感性.研究结果表明,材料破坏机理非常复杂,与作用荷载、不同尺度下缺陷的几何形状、尺寸及材料性能等因素相关.     

微观缩松对蠕铁微观组织和力学性能的影响

微观缩松缺陷的位置分布、体积大小表现出随机性特点,会对材料微观组织和宏观力学性能产生影响. 通过微观组织观测,研究了微观缩松对蠕墨铸铁材料微观组织的影响. 同时,建立了含微观缩松缺陷的三维代表性体积元模型,通过施加周期性边界条件和拉伸位移载荷,研究了微观缩松对蠕墨铸铁材料宏观力学性能的影响. 结果表明,蠕铁材料微观缩松缺陷周围组织中含有Ce,Mg元素,表明稀土蠕化剂与所研究的蠕墨铸铁的微观缩松的形成有密切联系,增加了材料内部形成微观缩松的倾向. 随着材料内部微观缩松体积分数的增加,材料的宏观等效弹性模量呈线性降低;微观缩松还会造成材料内局部区域的应力集中,易于微小裂纹的萌生及扩展.      

龟壳角质层的微结构特征及拉伸力学性能

龟壳是由角质层和骨质层构筑而成的复合层状结构材料,具有轻质、高比强度、高韧性的优异力学性能.本文以龟壳角质层为研究对象,实验研究了角质层的多尺度微结构特征及其拉伸力学性能,主要表征了角质层的基本构元特征、界面构筑方式及角质层拉伸力学性能的影响因素.结果表明,龟壳角质层主要由微米尺度的蛋白质薄片无规则堆叠构筑,叠层厚度方向存在蛋白质桥连,面内方向由粗糙表面的薄片互相搭接;角质层具有明显的拉伸各向异性力学性能,且含水量对角质层的宏观材料特性、拉伸强度和断裂韧性具有一定的影响;薄片的拉伸断裂伴随薄片的层间拔出是角质层最终拉伸断裂的微观损伤模式.简单的有限元模型初步分析了层状结构材料的微观破坏方式,与实验结果定性一致.本文结果在进一步系统分析龟壳结构材料的多尺度力学性能及多尺度物理关联,进而提出轻质、高强韧复合结构材料的仿生优化设计方法等方面,具有一定的理论意义.     

Lode参数对Q345钢失效应变影响

为揭示Lode其对Q345B材料断裂损伤的影响,本文开展了多类试件的拉伸破坏力学性能试验,通过综合运用数值仿真手段,分析了Lode参数对试件失效应变影响分析.计算结果表明：通过比较光滑圆棒试件、缺口圆棒试件、平板试件的断裂应变,可发现,Lode参数对材料的失效应变具有一定的影响.     

CFRP加固开孔钢板的静力力学性能研究

采用中心CFRP加固开孔钢板的单轴拉伸试验,对6 mm厚开孔钢板采用1-3层CFRP加固,对3 mm厚开孔钢板采用1-2层CFRP加固,研究了CFRP加固层数和钢板厚度对开孔钢板试件的影响。试件在单轴拉伸荷载作用下有4种典型的破坏形态,破坏形态与CFRP的层数以及CFRP与钢板之间结构胶的粘接强度有关。试验结果表明,随着CFRP层数的增加,试件的极限承载力呈线性增大,而极限位移却减少;开孔钢板的厚度不同,CFRP的加固效果也不同。同时,还通过在试件钢材表面和CFRP表面粘贴应变片的方法测量试件在单轴拉伸荷载下各关键部位的应变值,测得了加载过程中未加固试件和单层CFRP双面加固试件表面各点的应变变化特征。     

7075-T6高强铝合金轴心受压构件局部稳定试验研究

为研究结构工程中高强铝合金轴心受力构件的局部稳定性能,对7个7075-T6铝合金H型截面短柱开展了轴心受压试验,测量了7075-T6铝合金的材料力学性能和试件的局部几何初始缺陷,分析了试件的破坏形态、局部屈曲承载力、极限承载力.试验结果表明,7075-T6铝合金材料平均名义屈服强度达到536 MPa;试件翼缘与腹板的平...     

内置椭球形缺陷混凝土静态劈拉试验

混凝土广泛应用于核工程等基础建设领域,在其浇筑和凝固过程中,会在其内部产生类似币形或圆形等初始缺陷,实际上可通过改变椭球形的长、短轴来表征这些初始缺陷.为研究初始缺陷对混凝土拉伸力学性能及裂纹扩展的影响,本研究在混凝土试件中心处预置一个椭球形缺陷,采用劈拉试验获得拉伸强度,结合高速摄像机和引伸计采集裂纹的扩展过程.完整混凝土试件的拉伸强度为3.24 MPa,三类内置椭球形缺陷混凝土试件的拉伸强度分别为2.99 MPa、2.92 MPa和2.79 MPa.结果 表明,混凝土的拉伸强度随着椭球形缺陷的增大而降低,内置的椭球形缺陷对本研究的裂纹两阶段扩展模式的影响不大.     

带初始缺陷的拉挤型GFRP管轴压性能试验研究

通过对7个管端有竖向裂缝的拉挤型GFRP管进行轴压试验,研究了管端竖向裂缝型初始缺陷的位置及长度对拉挤型GFRP管的轴压性能影响,得到了极限承载力,荷载—位移曲线和应力—应变曲线,并分析了管端裂缝长度和位置对拉挤型GFRP管极限承载力,位移及初始刚度的影响。试验结果表明:管端竖向裂缝型初始缺陷对GFRP管的破坏模式和破坏现象没有明显的影响,主要表现为脆性破坏,且初始缺陷处无明显破坏;初始缺陷的影响主要在荷载作用前期,且对试件初始刚度影响较小;裂缝在中间位置处对试件的极限承载力的影响比裂缝在管端角部试件的极限承载力的影响大。     

三维编织碳/碳复合材料高温力学及疲劳试验研究

在大气环境下,对有抗氧化涂层的非切边和切边三维(3D)四向碳/碳复合材料在室温、800和900℃下进行编织纵向拉伸试验,得到了相应工况下的弹性模量、拉伸强度以及应力-应变曲线;在800℃下对两种试件进行编织纵向拉/拉疲劳试验,得到了疲劳寿命数据以及剩余刚度随循环载荷的变化规律。采用扫描电子显微镜(SEM)对破坏后的试件断口进行观察研究,分析材料拉伸破坏机制以及疲劳破坏机制。结果表明:三维四向碳/碳复合材料的拉伸强度和弹性模量随着温度的升高而增大,非切边试件的力学性能优于切边试件;三维四向碳/碳复合材料剩余刚度随循环载荷先增加而后减小;材料的拉伸破坏形式以纤维拉伸为主,温度升高后,断口出现纤维束成簇拔出现象,疲劳破坏形式以纤维拉伸为主并伴随一定的纤维簇拔出和基体分层现象。