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.     

闭孔泡沫铝压缩力学性能的实验和三维有限元模拟

基于X射线电子计算机断层扫描技术,建立了反映闭孔泡沫铝真实结构的三维有限元模型.对闭孔泡沫铝准静态和动态压缩力学性能进行了实验和数值模拟,分析了闭孔泡沫铝的变形特性及力学性能,验证了模型的可靠性.结果表明,准静态压缩下,试件主要沿加载轴45°方向产生塑性变形.压缩速率为低速时,其变形模式与准静态相同.闭孔泡沫铝试件截面上结构薄弱处首先出现应力集中,材料达到塑性屈服.在高速压缩下,试件加载端首先达到塑性屈服.比较闭孔泡沫铝不同应变率下的屈服强度,动态压缩下的屈服强度远高于准静态压缩下的.应变率280~700 s-1下,其屈服强度变化不明显,应变率继续升高至2 000 s-1,屈服强度略微提高.      

泡沫混凝土吸能机理试验研究

利用Hopkinson压杆,以试验数据为依据,研究了4种不同密度的泡沫混凝土材料在冲击载荷下的动态力学压缩性能.通过相同加载速率下对泡沫混凝土的动态力学性能比较,得到了高应变率下的泡沫混凝土随着孔隙率降低其最大破坏应力与弹性模量均增大这一变化规律.同时对泡沫混凝土抗冲击和吸能机理进行了探讨.     

中高孔隙率泡沫金属材料常数的细观统计特性与拉伸本构关系

Gibson-Ashby单元模型成功地用于高孔隙率的开孔泡沫金属材料的弹性模量和屈服应力的预测,但基于该模型的破坏强度(应变)公式尚未建立,而在拉伸等条件下,泡沫金属的细观结构破坏对材料性质产生重大影响.本文重点研究在拉伸条件下Gibson-Ashby单元的破坏模式,通过综合考虑单元内水平梁的弯曲和立柱拉伸综合效应,建立起更一般性的泡沫金属材料单元的弹性模量、屈服应力(应变)公式.并且应用塑性铰长度的概念,成功地推导出单元的破坏应变.进而用单元结构几何参数的概率分布来表征泡沫金属的细观非均匀性,从而分别推导出了开孔泡沫金属单元材料参数的概率分布函数,并以此建立了涵盖支持中、高孔隙率泡沫金属的拉伸本构关系.通过对单元弹性模量、屈服应变与破坏应变的概率分布分析,指出它们的概率分布均存在近似的但不相互独立的等效Weibull分布,这说明在研究材料常数的细观统计特性时,有必要考虑材料的细观变形和破坏特性.     

基于细观颗粒元的混凝土弯曲试验模拟与率效应

为研究混凝土动态力学性能、解释混凝土材料动力破坏机理,该文基于颗粒元(PEM)建立细观模型,模拟混凝土动力弯曲试验,并进行率效应研究。数值仿真中以不同加载速率进行弯曲试验,得到混凝土抗弯强度的率相关强度增长系数(DIF),再现了不同应变率下弯曲破坏模式。数值仿真模拟得到的弯曲应力-应变结果和破坏现象与试验吻合良好,证明了数值模型的有效性。通过对破坏过程进行分析,高应变率条件下混凝土梁产生多条裂纹,表现出与低应变率条件完全不同的破坏形式,这是混凝土动强度提高的主要机理。     

尺寸不规则度梯度分布参数对泡沫金属单轴拉伸力学性能的影响研究

采用数值模拟的方法,定量研究了尺寸不规则度参数为连续梯度分布时,泡沫金属在单轴拉伸下的力学性能;通过对比形状不规则度相同但尺寸不规则度不同的模型结果,明确了尺寸不规则度是影响泡沫金属力学性能的重要因素。结果表明,不规则度连续梯度变化的3D Voronoi模型是横观各向同性材料,单轴拉伸时胞孔局部变形显著;梯度参数影响梯度方向和非梯度方向的力学性能,且对梯度方向的单轴拉伸屈服强度和破坏强度尤其突出,呈二次函数关系,存在最优解。通过对比尺寸不规则度不同但形状不规则度相同的3D Voronoi模型单轴拉伸力学性能,发现梯度方向比非梯度方向的屈服强度和破坏强度受尺寸不规则度的影响更明显,不同于单轴压缩,尺寸不规则度参数是影响单轴拉伸力学性能的重要细观结构参数。对细观结构对多胞材料力学性能的影响研究进行了完善,有助于多胞材料的优化设计。     

不同加载应变率下钨合金变形及破坏机理研究

采用准静态压缩、霍普金森动态压缩以及爆炸加载3种不同加载方式,研究了钨质量分数为97.5%的高钨合金在不同加载应变率条件下的变形以及破坏机理.试验结果表明:钨合金在应变率为10-4s-1准静态加载条件下,大量钨颗粒在与轴向呈45°方向发生拉伸塑性变形并在径向发生解理断裂;在应变率为103s-1量级的动态压缩条件下,钨合金在与加载应力呈45°方向发生了局部剪切,径向外表面发生钨-钨断裂以及钨颗粒解理断裂;爆炸加载应变率达到105～106s-1的条件下,钨合金内部产生大量钨颗粒碎块,且在个别钨颗粒内产生条状花样,同时钨颗粒内部产生大量形变孪晶作为裂纹萌生源,增加了钨合金内钨颗粒解理断裂.钨合金在高应变率加载条件下为纯脆性断裂.     

煤矿砂岩SHPB动态压缩力学性能试验与分析

为研究煤矿砂岩冲击载荷作用下的动态力学特性,利用分离式Hopkinson压杆对皖北矿区祁东煤矿的砂岩试件进行冲击压缩试验,得到了试件应变率变化时程曲线和动态应力-应变曲线。试验结果表明:采用3种冲击气压加载,入射波形均近似为梯形波;试件应变率随冲击气压提高而增大,应变率曲线中有一段近似恒应变率平台,可实现恒应变率加载;试件动态破坏形态在低应变率下为径向外围剥落式拉伸破坏模式,在高应变率下则为颗粒状粉碎破坏模式。随应变率增加,碎块尺寸减小且碎块数量增加,具有明显的应变率效应;试件动态抗压强度与平均应变率近似乘幂关系,显示出较强的相关性。     

冲击载荷下胶结充填体的力学性能及能耗特征

为得到中等应变率下全尾砂胶结充填体动态力学性能及破坏规律,采用分离式霍普金森杆(SHPB)试验技术对全尾砂胶结充填体进行了冲击加载试验.试验结果表明:充填体的动态抗压强度及动态抗压强度增长因子随平均应变率的增加均呈线性增长规律,灰砂比越高,充填体的动态抗压强度越大,但动态强度增长因子越小;充填体的韧性指数与平均应变率对数具有显著的正相关性,与静态加载下相比,韧性指数呈几何倍数递减;动载冲击下,充填体的破坏形态主要为轴向宏观主裂缝拉伸破坏及压碎破坏,当平均应变率高于临界值时,充填体破坏形态为压碎破坏;在相同应变率作用下,充填体的单位体积吸收能和单位质量充填体破碎耗能随着平均应变率的增加呈指数函数增长规律,水泥含量越高的充填体具有越高的破碎耗能及单位体积吸收能,且破坏损伤程度越小.     

3004铝的动态力学性能及本构模型

为了得到3004铝的动态力学性能及本构模型,运用静态实验机和分离式Hopkinson压杆动态加载装置,在温度为10～400℃、应变率为0.000 5～2 000s-1范围内得到了3004铝在准静态拉伸及动态压缩条件下的应力-应变曲线,并基于Johnson-Cook材料模型对其进行拟合分析.结果表明:3004铝有明显的应变率强化效应和温度软化效应,其应力随应变率的增加而增加,随温度的升高而降低;拟合得到的3004铝动态本构关系曲线可以描述出材料在大应变率和高温下的力学性能.     

硅橡胶动态拉伸力学性能的实验研究

为研究硅橡胶在高应变率下的拉伸力学性能,基于旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸测试系统,针对硅橡胶低模量、低强度的特点,选择和确定了拉伸试件与入射杆/透射杆的机械连接方式以及拉伸试件的形状和尺寸,实现了硅橡胶材料的高应变率（350 s^-1）单向拉伸试验.采用自动网格法应变测试技术,实施了硅橡胶在准静态（0.001 s^-1）和中应变率（1 s^-1）加载条件下的单向拉伸试验.拉伸应力-应变测试结果表明：硅橡胶的拉伸力学行为具有明显的超弹性特征,且具有显著的应变率相关性,其拉伸模量随着加载应变率的升高而增大.     

两栖飞机铝合金的中低应变率力学性能

为研究水陆两栖飞机用航空铝合金材料在中低应变率区间内的动态力学性能,在常温下针对飞机船底壁板结构用7475-T761和7055-T76511铝合金采用电子式万能材料试验机开展准静态及低应变率拉伸实验,采用高速液压伺服试验机开展中应变率动态拉伸实验,获得了0.005～500 s^-1区间内的铝合金应力-应变曲线,拟合和验证了Johnson-Cook本构模型。结果表明：在应变率0.005～500 s^-1区间内,7475-T761和7055-T76511铝合金均呈现出了显著的应变率强化效应;从准静态向中应变率增加,7475-T761铝合金的失效应变随着增大,而7055-T76511铝合金先降低后增加;7475-T761铝合金表现出了显著的应变硬化效应,而7055-T76511铝合金应变硬化效应相对较弱;两种铝合金的断口形貌均未表现出明显的颈缩现象;拟合得到的Johnson-Cook本构模型能够较好表征两种铝合金材料的动态力学性能,最大均方根误差为13.7 MPa。     

EPS材料的单向力学行为研究

对不同标称密度的国产聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)进行了单向拉伸和单向压缩的加载试验.通过对试验结果的研究分析,阐述了密度和应变率对EPS材料力学性能的影响,并利用Ramberg-Osgood模型描述了材料的单轴拉伸一维应力应变关系.     

Fe-C合金动态拉伸力学性能温度和应变率效应分子动力学

爆炸冲击荷载作用下温度和应变率对钢材动态力学性能的影响一直备受关注。Fe-C合金体系是钢材的基本组成部分,本文以Fe-C合金为基本研究对象,采用分子动力学方法模拟九种温度和四种应变率条件下Fe-C合金的单轴动态拉伸过程。结果表明：在所研究的温度和应变率范围内,Fe-C合金弹性模量对于应变率变化不敏感,对于温度变化非常敏感,随着温度的升高,弹性模量明显减小;相同温度条件下,屈服强度和峰值应变随应变率的增大而增大;相同应变率条件下,屈服强度和峰值应变随温度的升高而减小;温度和应变率对屈服强度的影响不具有相关性。基于分子动力学模拟,建立的纳米尺度下Fe-C合金动态拉伸力学性能计算公式能反映温度和应变率效应的共同影响,为钢材在爆炸冲击作用下动态拉伸力学性能描述提供依据。     

大骨料混凝土动态双轴拉压强度试验研究

为了研究不同应变速率下混凝土双轴动态受力状态的力学性能,在大型静、动态三轴试验机上,对大骨料混凝土和湿筛混凝土试件进行了不同应变速率和应力比下的双轴动态拉压试验,系统研究了应变速率和应力比对混凝土双轴拉压强度的影响.试验结果表明:两种混凝土双轴拉压强度均低于单轴拉伸或单轴压缩强度,其变化规律不但与应力比有着密切的联系,还随应变速率的增大而增大.在主应力空间建立了考虑应变速率和应力比的混凝土双轴拉压破坏准则,为水工结构物的非线性分析提供了试验依据.     

对ABAQUS中混凝土弥散开裂模型的静力特性分析

为全面了解ABAQU S有限元软件中混凝土弥散开裂模型分析混凝土材料和构件的能力,用该模型对混凝土材料的单轴、双轴应力状态下力学性能以及构件的抗弯、抗剪性能进行模拟,并与试验结果进行对比分析。结果表明,混凝土弥散开裂模型能较精确地模拟单轴受拉和受压、双轴受压和双轴拉压应力状态下混凝土的力学性能,也能较好地预测钢筋混凝土构件的抗弯和抗剪性能及其相应的破坏形态,但不能很好地描述混凝土双轴受拉应力状态下材料的力学性能,也不能反映体积应变发展变化的规律。     

ABAQUS混凝土损伤塑性模型的静力性能分析

为评估ABAQUS有限元软件中混凝土损伤塑性模型分析混凝土材料和构件静力性能的能力,用该模型对混凝土材料单轴、双轴应力状态下力学性能以及构件的抗弯、抗剪性能进行模拟,并与试验结果进行对比分析.结果表明,混凝土损伤塑性模型可以较为精确地模拟单轴受压、单轴受拉、双轴受压以及双轴受拉状态下混凝土材料的力学性能,能较好地反映双轴应力状态下的材料破坏包络线,也能较好地预测钢筋混凝土构件的抗弯和抗剪性能及其破坏特征,但不能很好地描述双轴拉压应力状态下混凝土材料的力学性能,也不能反映材料的体积应变发展变化规律.