一种基于微带天线的应变测量技术

结构在长期使用中常常会产生裂纹，裂纹萌生时的尺寸一般很小，不容易被发现；当裂纹被发现时，往往已经扩展，甚至接近临界尺寸，危及结构安全．由于裂纹主要产生在结构的应变集中处，所以对“关键区域”的应变进行监测可以作为裂纹萌生的表征．传统的应变测量技术很难满足长时间、低成本、快速检测等要求．为克服传统应变传感器的缺点，本文对基于微带天线的应变测量技术进行了可行性探究．微带天线的中心频率与自身尺寸有关：当其变形时，中心频率也会发生相应的偏移．因此，可利用微带天线中心频率的变化来表征应变．本文设计和制作了四种不同尺寸的微带天线，以探兖基于微带天线的应变测量技术，同时研究其影响因素．将天线黏附在悬臂梁上，并在悬臂梁自由端处施加载荷，进行应变测量实验．通过矢量网络分析仪得到回波损耗S-一曲线，并获得应变与微带天线频率偏移的关系．分析结果显示，应变与中心频率偏移之间存在近似线性关系，可利用微带天线测量应变．     

超塑性自由胀形精确加载实验测量装置

超塑性合金的结构敏感性很强,板材超塑性充模胀形的变形规律,不仅与应力状态有关,而且与加载路径有密切关系．超塑性自由胀形边界固定不受摩擦影响,因此,研究超塑性自由胀形的变形规律及其实验装置,是超塑性充模胀形成形的重要基础．采用纯净高压氩气源并用炉外加热系统加热后作为高温高压胀形加载介质,提高了热效率和试件加热的均匀性;采用光电转换非接触测量装置,避免了接触式顶杆对自由胀形件极点处附加应力和温度不均匀的影响;以筒形压边绝热炉内试件的温度和压力为依据,反馈调控温度和压力,提高了试件温度和压力的测控精度;在加载气路中通过准确测控步进电机转角实现调压,并控制电磁阀加载,显著增加了调控气压的响应特性．同时介绍了恒压加载、压力跃变加载以及附加背压的对向差压加载等几种自由胀形典型加载路径的实现步骤和方法,提供了测量超塑性自由胀形应变速率敏感性指数m值和探索提高超塑性自由胀形变形速度的新途径．     

带肋钢筋-混凝土界面黏结破坏行为细观模拟

钢筋与混凝土之间的良好黏结是钢筋混凝土结构共同承载受力的基本前提.结合混凝土细观结构及带肋钢筋结构特征,考虑钢筋与混凝土间摩擦阻力及机械咬合作用的影响,建立了带肋钢筋与混凝土界面非线性黏结破坏行为研究的细观尺度分离式相互作用模型.在与已有试验结果吻合良好的基础上,首先讨论了细观力学分析方法的优势,研究了钢筋-混凝土界面黏结-滑移行为与破坏机制,分析了钢筋黏结应力的分布特征.进而基于细观数值分析方法讨论了骨料分布、保护层厚度、混凝土强度等级、钢筋直径和钢筋肋高等因素对钢筋-混凝土界面黏结破坏行为的影响规律,得到了一些规律性认识.     

落锤冲击下钢筋混凝土梁响应及破坏的实验研究

钢筋混凝土结构在受到爆炸、冲击等荷载作用时的设计及安全性受到越来越多的关注.本文采用落锤三点弯曲实验方法对具有不同黏结强度的钢筋混凝土梁进行研究,探讨不同速度冲击下混凝土结构的破坏机理及钢筋黏结强度作用,实验结果显示:(1)钢筋混凝土梁的冲击力响应曲线峰值与钢筋黏结强度无关,为混凝土结构的响应,随速度提高而提高;(2)裂纹分布和发展模式与冲击速度相关,在较低速度冲击下,钢筋混凝土梁主要呈现弯曲破坏模式,随加载率提高向剪切破坏模式为主转变,更高速度下为冲切破坏控制;(3)钢筋黏结强度对破坏模式转变有影响,钢筋混凝土黏结强度低,越易产生剪切破坏,且易出现混凝土的块状破碎崩落,塑性铰破坏也会提前.     

混凝土中钢筋腐蚀早期过程宏观腐蚀电池与微观腐蚀电池相互作用

建立一种阵列电极技术,通过测量不同时空的微电极腐蚀电位、电偶电流及其动态变化,研究了在腐蚀介质作用下,混凝土中钢筋腐蚀发生、发展早期过程阳极区和阴极区分布特征,探讨了钢筋腐蚀过程宏观腐蚀电池与微观腐蚀电池的相互作用机制.结果表明,伴随着点腐蚀的发生、发展过程,在钢筋/混凝土界面宏观腐蚀电池的作用明显,宏观腐蚀电池电流分布与腐蚀电位有密切的对应关系.混凝土中钢筋腐蚀过程总是存在着宏观腐蚀电池和微观腐蚀电池,二者密切相关、相互作用,对钢筋局部腐蚀的发生、发展过程有重要影响.     

孔隙介质中应力波传播机制的实验研究

采用活性粉末混凝土和聚苯乙烯材料研制了具有与天然砂岩相似孔隙分布特征和物理力学性质的孔隙体模型,通过不同孔隙率模型的SHPB冲击实验和CT扫描实验观察和分析了孔隙体中应力波的传播特性以及传播过程中内部孔隙和固体介质的变化．研究表明：1）孔隙率显著影响应力波的传播特征．相同应变率时,孔隙率越大,反射波幅越大、波峰越多、透射波幅越小;孔隙率降至5％时反射波接近于单峰;应变率越高上述现象越明显;2）孔隙体的能量耗散率WJ／W1随孔隙率增加而线性增加,WJ／W1对应变率较敏感;3）应力波传播性质和能量耗散行为的差异与孔隙的演化机制有关．孔隙率低于10％时内部机制表现为固体介质破裂或形成新孔隙,应力波能量主要被消耗形成新开裂面或新孔隙,原有孔隙变形不大．此过程中应变率对改变孔隙形状的作用不明显;孔隙率高于15％时孔隙演化机制与应变率有关,低应变率时仍以固体介质开裂或形成新孔隙为主,但新增开裂面或新孔隙的数量相对较少;高应变率时内部结构变化同时存在固体介质开裂和孔隙变形两种机制,其中孔隙变形占较大比例,应力波能量大部分被消耗于孔隙变形,表明只有在高孔隙率和高应变率条件下内部孔隙才会发生明显的变形．孔隙离心率e可以较好地刻画应力波作用下孔隙的变形．     

混沌激光相关法光时域反射测量技术

提出一种新型的光时域反射测量技术,即混沌激光相关法,可突破脉冲飞行法和伪随机信号相关法的瓶颈,获得与测量距离无关的高精度测量.利用长外腔光纤环反馈半导体激光器产生宽带混沌激光作为探测信号,进行光纤反射点探测及分辨率的实验验证,并分析了探测光的衰减对测量结果的影响.结果表明,该技术测量光纤反射事件可获得优于6 cm、与事件位置无关的空间分辨率和至少25km的测量范围.     

相机阵列测量二维应变场的高精度分析方法

近年来,用于变形测量的数字图像相关技术以其全场、非接触、大量程等优点,在很多领域的非接触大变形测量方面发挥了重要作用.但由于其应变分辨能力受到摄像机分辨率的限制,与电测应变技术相比,数字图像相关的应变测量精度仍然很低.要使数字图像相关测量技术在应变分辨能力上有数量级的突破,依赖硬件技术的进步,将是一个漫长的期待.为此,本文提出采用相机阵列并结合图像拼接技术实现高分辨率图像采集,以提高数字图像相关测量技术的应变分辨能力,从而达到高精度二维应变场的测量.为了实现高精度的图像拼接,本文还提出了一种基于相机标定的图像拼接方法,利用相机阵列的内外参数进行图像拼接不仅可以最大限度利用相机分辨率,还可以实现重叠区域的三维重构,有效地减小离面位移对二维应变场测量的影响.     

高温条件下的固-固界面接触热阻测试方法与系统

高温条件下的固-固界面接触热阻是航空航天、能源、热核反应等领域中热控制和热防护系统设计的关键参数之一.针对高温条件下界面接触热阻测量系统设计与研制中存在的高温界面温差的高精度测量、热流量和压力的精确加载与计量、高温测试本体的绝热防护等技术问题,本文提出了一种上下对称布置稳态双向加载热流的高温条件下界面接触热阻测试方法,分析阐明了影响高温条件下接触热阻测量数据准确性的主要因素,建立了高温接触界面温差的红外热像测试与分析方法,攻克了钨热流计和接触界面处压力的精确加载与计量技术,设计了功率、温度全闭环精确控制的盘式钨丝高温加热器和高温测试本体的真空多层隔热结构,研制了高温条件下界面接触热阻的测试系统,实验测试了高温合金、C/C材料等材料对之间的接触热阻.结果表明,本文建立的高温条件下界面接触热阻测试方法和系统,实现了界面温度达1200℃的高温条件下接触热阻的高精度测量,测试误差小于10%.     

装配预制连续梁抗剪性能分析

为分析装配预制连续梁的斜截面抗剪性能,采用两点对称加载方式对3根钢筋混凝土连续梁进行抗剪承载力试验。分析企口现浇装配预制连续梁新旧混凝土的连接性能,对比分析整浇连续梁与装配预制连续梁的裂缝开展趋势、斜截面破坏形态、极限承载能力、荷载-纵筋和荷载-箍筋应变变化规律以及变形能力。结果表明:在加载过程中,装配预制连续梁接口区域内,裂缝延伸较快,截面刚度有所削弱,但斜截面抗剪承载力特征和变形能力与整浇连续梁相似,开裂荷载和极限荷载与整浇连续梁基本相同。     

纤维编织网联合钢筋增强混凝土梁受弯性能解析理论

纤维编织网增强混凝土（TRC）是一种新型的高性能纤维增强水泥基复合材料，其不但有良好的耐腐蚀性，还可以有效限制混凝土的裂缝发展，使混凝土的裂缝宽度和间距变得更小．但由于纤维本身的脆性特征，使TRC结构达到极限荷载时没有明显的破坏预兆，而普通钢筋混凝土结构则由于特殊保护层厚度的限制，具有较大的自重，且不能有效限制结构的主裂缝发展．为克服二者的不足，本文创新性地提出纤维编织网联合钢筋增强混凝土结构，其充分利用了TRC和RC的优点．采用TRC替代其受拉区保护层的部分混凝土，同时减掉纤维编织网所替代钢筋用量，以发展一种自重小、使用安全、耐久性好的结构．分析了这种结构适筋梁的受弯发展过程，基于平截面假定按非线性分析理论给出了整个受力过程不同阶段梁的承载力，M-φ关系和跨中挠度的解析计算公式．最后通过与试验结果的对比，验证公式的合理性．     

单壁碳纳米管拉伸试验的分子动力学模拟

采用Brenner势函数描述碳纳米管中碳原子间的相互作用，通过分子动力学方法对几种单壁碳纳米管进行轴向拉伸试验研究，得出其Young模量为4．2TPa，强度极限为1．40～1．77TPa．在对碳管拉伸过程中，发现只要应变不达到断裂极限，卸载时的应力．应变沿加载曲线返回，表明在碳纳米管的拉伸过程中没有塑性应变；对碳纳米管的拉伸断裂过程进行了仿真，从能量和结构变化方面对碳纳米管断裂机理进行了分析．     

应力波作用下岩石类孔隙介质变形破坏与能量耗散机制的数值模拟研究

通过CT扫描、X射线衍射和物理实验等方法获取了天然砂岩的孔隙结构参数、矿物组成和物理力学性质,研制了具有与天然砂岩相同的孔隙结构特征和基体性质、但孔隙率不同的岩石类孔隙介质的物理模型．利用孔隙介质物理模型的CT扫描图像和MIMICS构建了具有不同孔隙率的孔隙结构三维有限元模型．通过设定应力波动理论假设的条件模拟了孔隙介质SHPB冲击破坏过程,分析了波动应力作用下岩石类孔隙介质的动力学响应、应力传递模式和变形破坏机制．研究表明：利用孔隙介质三维有限元模型可以直观定量地分析应力波传播过程中岩石类介质内部孔隙和基体的应力、应变状态及变形破坏机制．一定压强和波速的应力波传播过程中,孔隙率低于15％的岩石介质内部的孔隙未发生明显变形,变形主要体现为孔隙周边基体的微塑性（剪切变形）和开裂（横向拉应变）,以及孔隙周边开裂区域的相互连通．剪应力使基体单元产生微塑性,拉应力使基体单元开裂．孔隙周边基体单元的破坏及相互贯通主要是由于基体单元的横向拉应力或拉应变超过材料的极限值．模拟得到的孔隙介质的应力波传播规律、变形与破坏模式以及能量耗散性质与物理模型的实验结果相吻合．本文研究为解析岩石类孔隙介质的复杂多变动力学响应的内在机制、应力传递模式、变形破坏与致灾机理提供了参考．     

单轴压缩下Ti-6Al-4V空心点阵结构的力学行为

本文设计和制备了三组不同内部加强结构分布的Ti-6Al-4V空心点阵试样,开展了单轴压缩加载下空心点阵结构变形和破坏的实验和数值模拟研究,分析了加强结构分布及形状参数对空心点阵结构力学行为的影响规律.结果表明:相比于基本空心点阵结构(试样BS),当加强结构分布在试样节点(试样SN)时,其比弹性模量和比极限强度分别降低了...     

混凝土材料非线性多轴动态强度准则

将广义非线性强度理论的4个材料参数转化为混凝土材料的基本强度参数,通过混凝土材料的基本强度特性,分析了4个材料参数的变化规律与取值范围.基于S准则建立了混凝土材料4个基本强度参数的率效应表达式,建立了混凝土材料的非线性多轴动态强度准则,分析了动态强度参数的率效应规律,结果表明,混凝土材料的强度特性随着应变率的提高,逐渐向金属材料的强度特性过渡,在应变率从-3~3,应变率对混凝土动态强度的影响较大,并且动强度不是随着应变率的提高无限增大的,而是存在动强度峰值.通过与3组双轴压-压和2组双轴拉-压动态加载时混凝土材料试验结果的比较,表明非线性多轴动态强度准则可较好地描述混凝土材料双轴动强度规律.在同一应变率下,可较好地描述强度的非线性特性;不同应变率下,动强度面互不相交,即应变率效应与多轴应力状态对强度规律不存在耦合影响.     

一种高速铁路无砟轨道混凝土结构疲劳损伤模型

基于连续损伤力学理论和边界面概念,建立了高速铁路无砟轨道混凝土结构在循环荷载作用下的疲劳损伤模型.模型在主坐标系中采用了拉压两个边界面,根据加载面与极限断裂面、边界面之间的位置关系来计算高速铁路无砟轨道混凝土结构在复杂应力状态下的损伤,并由累积损伤与应变能释放率之间的关系确定循环加载中极限断裂面的变化规律.通过将该理论模型嵌入有限元软件ABAQUS的用户材料子程序UMAT,与同类模型进行比较验证了模型的可行性.最后对高速铁路双块式无砟轨道支承层进行了循环动荷载作用下的疲劳累积损伤分析.结果表明该模型不仅能够较好地反映支承层在循环荷载作用下疲劳损伤非线性演变规律,还可以展现其疲劳损伤分布形态的全过程,为研究高速铁路无砟轨道混凝土结构的疲劳损伤与寿命预测,提供了可行的理论分析方法.     

大口径聚能装药侵彻厚混凝土靶板的数值模拟及实验研究

采用自主开发的软件平台EXPLOSION-2D对不同锥角药型罩结构的聚能装药成型进行数值模拟,并得到了聚能装药成型规律以及炸高对聚能装药侵彻厚混凝土靶板的影响.基于侵彻体的性能参数选取了两类侵彻效果较好的聚能装药结构进行侵彻厚混凝土靶板的数值模拟研究.根据侵彻结果设计了一种侵彻厚混凝土靶的聚能装药结构,并进行了相应的实验研究.对实验后混凝土靶板进行剖切,通过混凝土靶的内部破坏情况评估侵彻体对不同位置处混凝土靶的损伤情况,并测量各个位置处的孔洞直径.采用EXPLOSION-2D软件平台对实验工况进行模拟,对比分析实验与数值模拟的结果.对比结果表明该数值模拟技术能够有效地评估混凝土靶板的破坏情况.     

钢筋混凝土轴压柱长细比效应的细观数值研究

钢筋混凝土柱名义轴压强度的尺寸效应源于:1)混凝土材料本身的非均质性及其力学非线性;2)钢筋/混凝土相互作用的高度复杂性.此外,长细比效应是影响钢筋混凝土柱最终破坏模式及其承载能力的另一重要因素.考虑混凝土材料细观结构的非均质性,及钢筋与混凝土间的非线性黏结滑移等因素,建立了钢筋混凝土柱轴心受压加载下力学行为研究的细观尺度力学分析模型.首先通过反演法确定了混凝土各细观组分的力学参数;进而对不同长细比钢筋混凝土柱在轴心受压加载下的破坏行为进行了数值模拟研究.结果表明:低长细比柱轴压加载下主要发生压剪破坏;而高长细比柱则发生屈曲失稳破坏,且由于端部效应的影响,破坏区域集中于柱的端部;长细比值小于9时,柱名义强度无明显变化,而大于9时,柱的屈曲强度迅速降低.     

岩石节理法向加载非线性变形本构模型研究

鉴于节理法向变形的经典指数模型和双曲线（BB）模型的中应力水平加载阶段变形与部分试验结果存在偏离的不足，采用柔度变形法建立了节理法向加载非线性变形的新本构模型．讨论了节理在法向单调加载条件下变形基本规律，提出了完备的节理法向本构方程应满足的3个基本条件．分析指出基于应力变形坐标系的节理法向本构改进模型：统一指数模型和改进双曲线模型在数学上均是不完备的．选择柔度变形（Cn-u）坐标下介于双曲线和经典指数2种传统模型之间的单调递减柔度变形曲线，使其满足法向变形基本条件，建立了节理法向变形本构三参数模型．分析柔度变形曲线存在的两类主要形式，推导了节理法向变形g-δ本构模型和g-λ构模型的具体数学表达形式，并初步分析了模型参数的取值范围及其相关地质影响因素．引用已有不同岩石节理法向变形试验数据，对2种本构模型验证分析表明：g-λ型既可以适用于耦合节理法向变形又适用于非耦合节理法向变形，同时提出的节理法向变形譬．碳型较BB模型、经典指数模型及对数模型能更好地与试验结果吻合．     

混凝土材料三维弹塑性本构模型

非线性统一强度准则将材料的强度特性分解为4个相互独立的因素,由4个材料参数分别描述,在主应力空间内的强度面连续光滑,存在连续的偏导数.本文将非线性统一强度准则作为屈服函数,以塑性剪应变的函数作为硬化/软化参数,硬化/软化函数参考单轴压缩条件下的应力应变关系给出,建立了混凝土材料的非线性统一弹塑性本构模型.通过混凝土材料单轴、双轴和三轴试验结果对本构模型的验证,以及偏心受压构件试验结果对数值模拟结果的验证表明,所建立的非线性统一弹塑性本构模型可较好地描述混凝土材料的三维变形与强度特性,并可反映应变软化特性,将模型用于数值计算时易于获得收敛解,且具有较高的精确度和计算效率.