不同压缩速率下关节软骨力学性能的有限元模拟

通过实验与模拟结合,探究不同压缩速率下关节软骨的微观力学性能。基于纤维增强多孔弹性模型,以蛋白多糖和间隙液体为两相、用非线性弹簧单元SPRINGA替代胶原纤维的性能建立有限元模型,并由实验数据确定有限元模型相关参数,运用ABAQUS有限元分析软件对关节软骨不同层区的率相关性能进行分析。恒定压缩速率下,关节软骨浅表层应变变化最大,深层最小,中间层介于两者之间;不同压缩速率下,压缩速率越大不同层区应变变化相应越大;加载初始时,液相主要在浅表层流动,随时间持续而向中间层及深层流动,液相最大流速渗出位置也相应下移。实验基础上,建立了一个合适的纤维增强多孔弹性模型。关节软骨不同层区力学性能具有率相关性,液相在关节软骨承载机理中起重要作用,承载所造成的软骨内部液相流动有助于软骨内部营养物质的交换流通。     

加载速率及方式对人工冻土抗折强度的影响

基于室内实验研究了人工冻土(重塑粉质黏土)在三点式和四点式两种加载方式下加载速率对抗折强度的影响规律。结果表明:两种加载方式下,破坏类型均呈明显的脆性破坏特征,加载速率对破坏特征几乎无影响。三点式加载方式下,抗折强度与跨中最大相对挠度均随加载速率的增大而呈线性增大趋势,试验范围内(加载速率30~75 N/s),加载速率提高1 N/s,强度增大0.023 MPa,跨中最大相对挠度增大0.038;而四点式加载方式下加载速率对抗折强度及试件破坏时跨中最大相对挠度均无影响。仅从研究人工冻土抗折强度基本特性出发,采用四点式加载方式确定其抗折强度更为合理。     

海冰在单轴压缩下的韧-脆转化机理及破坏模式

海冰的破坏模式在不同加载速率下呈现出韧-脆转化特征.为研究海冰的韧-脆转化机理,本文对渤海东北部海域的平整冰进行了现场单轴压缩试验.该试验采用的海冰为典型的h2型柱状冰,其盐度变化范围为5.5‰–7.4‰,试样温度在–15°C至–18.3°C之间.试验中对几何尺寸为50 mm×50 mm×107 mm的长方体试样施加垂直于生长方向的压缩载荷,由此得到海冰在不同加载速率下的单轴压缩强度.在试验过程中所采用的应变率区间为4.5×10~(–5)–7.5×10~(–3)s~(–1).由于在不同加载速率下海冰应变率的不同,海冰呈现出3种不同的破坏模式:在加载速率较低时,海冰强度随加载速率的提高而增大,海冰中裂纹尖端的应力集中通过蠕变作用释放而抑制了裂纹扩展,最终呈现为韧性破坏模式;当应变率在9×10~(–4)–5×10~(–3)s~(–1)区间时,海冰内部的裂纹能够沿主轴方向稳定生长并产生贯穿整个试样的主裂纹,形成劈裂破坏,海冰则呈现为韧-脆转化破坏;当加载速率较高时,海冰试样的裂纹尖端无法稳定生长而产生斜向裂纹并构成碎裂破坏,海冰则呈现为脆性破坏模式.以上试验结果还表明,每种破坏模式均有与之对应的强度-应变率关系,且海冰在不同应变率下的破坏模式决定了其单轴压缩强度特征,是其发生韧-脆转化的主导因素.此外,本文还对海冰在不同加载速率下等效弹性模量的变化规律进行了讨论分析.     

不同加载速率下胶结充填体损伤特性与 能量耗散特征分析

针对矿体回采所导致的充填体破坏可近似看作不同加载速率下的加载过程,在实验室开展了5种加载速率下的胶结充填体单轴压缩试验,在得到充填体应力-应变曲线的基础上,根据能量耗散原理及损伤力学,计算了不同加载速率下的充填体能耗值并构建了相应的损伤演化方程,研究了不同加载速率下胶结充填体的能量耗散与轴向压缩时间、应变间的内在关系,探讨了胶结充填体受压破坏的能量损伤演化过程.研究结果表明,不同于高强度的岩石,胶结充填体存在临界加载速率现象,当加载速率超过临界值后,充填体强度随加载速率增加而降低;充填体的峰前能耗量、峰后能耗量、单位体积应变能及总能耗量与加载速率呈二次函数曲线关系;充填体的总能耗量随轴向压缩时间、轴向应变的增大呈现Logistic函数形式增长规律,但加载速率的不同使得能耗值增长速率及充填体达到相同轴向变形所需能耗量存在明显差异;不同加载速率下充填体的压缩破坏均属同一类损伤过程,充填体受压破坏的能量损伤演化过程可划分为初始损伤、损伤稳定发展、损伤加速及损伤破坏4个阶段.     

加载速率对实时高温花岗岩三轴力学特性影响的实验研究

以未风化花岗岩为实验对象,在高温高压三轴力学实验系统上开展三轴压缩实验,分析了三种加载速率下岩样温度、围压对峰值强度、弹性模量的影响,探讨了岩样热损伤演化规律的加载速率效应,建立了花岗岩冷损伤方程。结果显示:在100℃时,加载速率增大,低围压区岩石由延性转向脆性,渐进破坏向突发失稳转变;在500℃时,加载速率增大,低围压区弹性模量硬化明显,失稳模式为准突发失稳;随着加载速率的增大,在低温30～200℃时峰值强度的增加显著,在较高温度200～500℃时峰值强度的增加幅度降低,随着围压的升高,加载速率使峰值强度增强作用降低;各级岩石温度条件下,加载速率与弹性模量相关性不显著;低围压时弹性模量增幅较大,高围压时弹性模量增幅较小;随着加载速率的提高,弹性模量损伤与岩石温度的关系由线性转变为非线性的临界围压降低。     

高温状态下加载速率对砂岩的动态力学影响研究

为研究不同高温状态下加载速率对砂岩动态力学特性的影响,通过采用自行组装?50mm分离式Hopkinson压杆高温实验装置,对25℃~1000℃高温状态下的砂岩试件进行了6级不同加载速率下的动态单轴压缩试验。结果表明：高温下砂岩的峰值强度与加载速率呈二次多项式增长;砂岩的峰值强度在200℃时,加载速率效应最明显,在1000℃时,加载速率效应最弱。砂岩的峰值应变与加载速率之间呈线性增加;峰值应变在1000℃时,加载速率效应最强,在25℃时,加载速率效应最弱。总体表现出一定的加载速率强化效应。不同温度下动态弹性模量的变化规律差别很大。从砂岩的破坏形态可知,加载速率对砂岩的影响不仅与温度有关还与其本身的性质有关。可见,加载速率对峰值强度、峰值应变及动态弹性模量的影响与温度密切相关。分析结果对高温环境下岩石工程稳定性、安全性以及相关岩体的爆破效应具有重要参考依据。     

碳纤维增强树脂基复合材料力学性能预测

利用有限元软件ABAQUS作为建模计算平台,应用Python语言编程,实现了纤维增强复合材料有限元模型中纤维体积分数含量的控制和各向异性材料局部坐标与整体坐标下输出变量的转换,对碳纤维增强树脂基复合材料的基本力学性能进行了预测,提出了预测纤维增强复合材料基本力学性能的新方法.可对不同性能的纤维、基体材料、不同纤维体积分数含量、不同纤维铺设铺层角度、不同加载方向的纤维增强复合材料的力学性能进行预测.     

玄武岩纤维改良土应变速率效应试验研究

为深入研究不同加载速率对玄武岩纤维改良土力学性质的影响,以掺入0.25%、0.5%和0.75%玄武岩纤维的青藏高原粉质黏土为研究对象,对改良土进行不同围压、不同应变速率下的不固结不排水三轴试验,分析在不同的纤维掺量、不同的应变速率下改良土的应力-应变关系、破坏强度及抗剪强度指标的变化规律.研究结果表明：改良土的应变速率效应与土骨架自身的黏滞性和固结程度等因素有关;改良土在不同围压和加载速率下,其应力-应变关系均呈应变硬化特性;破坏强度和抗剪强度随加载速率的增加并不是呈现单调增大趋势,而是存在明显的临界点;纤维含量越高,应变速率对破坏强度的影响程度越显著.综上分析得出应变速率对改良土各力学参数的影响规律,可为今后工程应用提供技术参考.     

石墨密封垫片的循环压缩回弹性能

通过试验研究了核级石墨密封垫片的循环压缩回弹性能。在常温下对垫片开展了加载速率分别为0. 25 MPa/s、0. 5 MPa/s及1 MPa/s的循环加载试验。在加载速率固定为0. 5 MPa/s时,对比研究了垫片在100℃及300℃下的循环加载性能,得到了不同工况下的应力-变形曲线,并计算出垫片在各工况下不同循环内的最大压缩量、压缩率及压缩模量。研究结果表明,在常温下,垫片的压缩模量随加卸载速率的增大而增大;在0. 5 MPa/s的加卸载速率下,垫片的压缩模量随温度升高而增大;而在每一种工况下,垫片的压缩模量均随试验循环次数的增加而减小,最大压缩量均随循环次数增加而增加,出现明显的塑性应变累积现象。     

加载速率对不同温度状态石灰岩力学性能影响的试验研究

借助美国MTS810电液伺服材料试验机和高温炉,对常温和600℃两种温度状态下石灰岩试件进行不同加载速率下的单轴压缩试验,得到石灰岩力学性能随加载速率的变化规律。结果表明:常温时,石灰岩岩样在3×10-4~3×10-3 mm/s的低应变率范围内,加载速率对峰值应力和弹性模量影响不大,在加载速率为3×10-3~3×10-1 mm/s的区段内,峰值应力和弹性模量均呈明显上升趋势;600℃时,峰值应力和弹性模量随加载速率增加变化不大。常温时,不同加载速率下石灰岩岩样均为竖向劈裂破坏,且在3×10-3~3×10-1 mm/s的加载速率区段中,随加载速率的增加,劈裂面逐渐增多;600℃时,石灰岩岩样在不同加载速率下均为剪切破坏。     

河冰力学性能试验研究

为了解决流冰对桥梁结构作用研究中河冰强度取值问题,对黑龙江省呼玛河河冰进行抗压强度和抗弯强度试验,结合国内现有河冰力学性能研究成果,采用统计分析方法,研究了河冰力学性能.得出各温度、各加载速率下,河冰抗压、抗弯强度取值,并研究了温度、应变速率与抗压强度和抗弯强度之间的关系,建立了冰温与抗压强度的数学模型;根据压缩试验、弯曲试验资料分别探讨了河冰弹性模量的取值,分析了温度、加载速率同弹性模量的关系,建立了冰温与弹性模量的数学模型.该成果为研究河冰与桥梁结构动力相互作用过程和流冰载荷计算方法奠定了基础.     

基于SHPB的不同含水状态砂岩动态响应

为研究不同含水状态岩石力学性质的变化规律,并保证仅受含水量这一单一因素的影响,以砂岩作为试验材料,制备饱和系数分别为2.82%、52.11%、100%的干燥、半饱和、饱和三种不同含水状态的岩石试样,进行静载以及8种不同冲击能量作用下的动力学性质的研究.通过试验可知:在静载作用下,相比干燥岩石,半饱和、饱和岩石试样的应力-应变曲线随含水量增加出现了峰值明显降低的现象,抗压强度分别降低了8.12%、19.26%.动载作用下,随应变率的增加,3种岩石强度均呈现不同程度的线性变化,应力-应变曲线出现右移及峰值增加的现象,且干燥岩石与含水岩石在卸载阶段有明显不同的两种趋势,特别是在卸载第二阶段.而在相同冲击能量作用下,岩石的含水量越大,其破碎程度越大.     

节理倾角对岩体冲击力学特性影响试验研究

地下岩体工程经常承受动态荷载,进行岩体的动态力学特性研究迫不及待.本文以落锤冲击试验机进行动态加载,通过相似材料预制试验岩石模型,开展了不同节理倾角与无节理岩体模型试件共四组冲击加载试验,对比分析岩石试验样品冲击过程中的力时程曲线与压缩位移时程曲线,得出在落锤冲击荷载作用下节理的存在降低了岩体所能承受的冲击力峰值,增加了其动态压缩位移,岩体节理倾角越小其动态压缩位移越大.     

基于航空飞行器冰雹撞击试验的冰雹粒子特性分析

为了研究冰雹高速撞击对航空飞行器造成的损伤,需构建相应的试验系统,其中冰雹粒子特性分析是关键.从航空飞行器冰雹撞击试验的要求出发,对冰雹粒子的特性进行了全面分析.首先应用冲击波理论分析了冰雹破坏特性,以及冰雹出现裂纹的条件;然后对冰雹撞击运动过程进行了建模,给出了基于简单波的冰雹粒子运动方程;最后给出了冰雹撞击试验系统参数的计算程序.据此确定了冰雹撞击试验系统设计参数:撞击速度200-300 m/s,冰雹直径19 mm,气压0.6-1.0 MPa,气体炮炮管长度6 m.在此基础上成功开发国内首台冰雹试验系统,该系统所有特性均达到设计标准,证明了理论分析是正确的,符合冰雹撞击试验实际情况和要求.     

纤维沥青混凝土动力性能试验研究

采用变截面分离式Hopkinson压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB),对普通沥青混凝土、玻璃纤维沥青混凝土、木质素纤维沥青混凝土和3个掺量的聚酯纤维沥青混凝土进行了3种应变率的冲击压缩试验研究.试验结果与分析表明,沥青混凝土具有应变率增强效应,其动力抗压强度及韧性指标随着应变率的增大而增大;但是,纤维沥青混凝土动力抗压强度及韧性指标增长率随应变率提高有递减趋势;纤维含量对沥青混凝土在动力条件下的动力行为有显著影响,聚酯纤维掺量为0.25%的沥青混凝土动力抗压强度及韧性指标最优;3种纤维都可以增加材料的动力抗压强度及韧性指标,聚酯纤维增强沥青混凝土抗压强度最佳,木质素纤维次之,玻璃纤维最差;聚酯纤维提高沥青混凝土韧性指标最佳,玻璃纤维次之,木质素纤维最差.     

基于库伦理论的桥面混凝土动态力学特性分析

在桥面水泥混凝土铺装层病害日益增加的背景下,为了分析在车辆动荷载作用下桥面水泥混凝土的力学性能,改善桥面铺装层使用效果,基于Coulomb理论的剪切破坏条件,通过室内试验制作圆柱水泥混凝土试块,采用SHPB试验装置对试块施加不同的冲击荷载,研究不同强度水泥混凝土试块的破坏形态、动态抗压强度和应力应变特征。结果表明：冲击荷载引起的水泥混凝土试块由块状失效破坏到粉碎状失效破坏;冲击荷载能够增强混凝土的抗压强度,对强度较低的水泥混凝土增强效果更明显,且动态抗压强度增强率最高为143.7%;在动态力学作用下水泥混凝土应力应变曲线也呈现四个阶段,随着应变的增加水泥混凝土应力应变曲线斜率变小,从应变硬化转变为应变软化特性。对水泥混凝土动荷载作用下的物理力学特征分析能为工程桥面水泥混凝土铺装层强度提高和性能改善提供一定参考价值。     

变速率加载下有侧压混凝土强度和变形特性

利用大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室最新研制和改造的大型混凝土静、动三轴试验系统 ,进行了 6 4块普通混凝土试块在 4种常定侧应力等级和 4个数量级加载速率的混凝土双轴压试验 .系统地探讨了有侧应力作用时 ,混凝土在不同加载速率下的受压变形和强度特性 .在此基础上 ,建立了以应变和八面体应力空间表示的有恒定侧压混凝土在不同加载速率下的破坏准则 ,为地震区的混凝土结构、海上混凝土采油平台和核防御壳等结构受动态双轴压组合荷载作用的分析奠定了可靠的基础 .     

基于响应面法的复合改良膨胀土无侧限抗压强度研究

为提高膨胀土的无侧限抗压强度,降低工程危害。本文在木质素改良膨胀土的研究基础上,通过单因素试验研究纤维长度、纤维掺量及木质素掺量对膨胀土抗压强度的影响规律,基于单因素试验结果,通过BBD响应面设计法进行响应面试验,建立二次回归模型,研究了双因素作用下对膨胀土无侧限抗压强度的影响。结果表明:单因素作用时,膨胀土无侧限抗压强度在各因素下均呈现先增大后减小的趋势;双因素交互作用时,木质素掺量和聚丙烯掺量二者交互作用显著性最好。由BBD响应面法得到的最优组合为:聚丙烯纤维长度为9 mm、纤维掺量为0.3%、木质素掺量为3%,该变量下平行试验组的平均抗压强度为552.48 kPa,相比于素膨胀的抗压强度提升了76.97%。可见此方案下对素膨胀的抗压强度提升效果最好。     

黄土掺入聚丙烯纤维后的无侧限抗压强度和变形试验研究

为提高西咸新区空港新城地区黄土强度指标,设计正交试验方案L_9(3~4),研究含水率、聚丙烯纤维长度、聚丙烯纤维掺量3种因素对黄土的抗压强度和变形的影响,通过对加筋黄土的无侧限抗压强度、变形模量进行极差和方差分析,获得3种因素的影响程度和显著水平。同时设置各含水率水平下不掺加纤维的空白对照。结果表明:在设置的不同含水率水平中,聚丙烯纤维加筋黄土无侧限抗压强度改良效果不同,其中在19.5%含水率即最优含水率时改良效果最优,强度提升了2.1倍;聚丙烯纤维加筋黄土无侧限抗压强度的最优掺和长度为12 mm,最优掺量为0.5%;聚丙烯纤维的加入对变形模量的影响并不显著,变形模量变化受含水率影响较大;聚丙烯纤维长度取12 mm、掺量取0.3%时变形模量相对最优。     

FC纤维在机场道面混凝土中的应用研究

为了研究不同掺量的FC纤维对道面混凝土抗折强度和抗裂性能的影响,设计了多组不同的混凝土配合比进行试验,对试验现象及结果进行对比,分析不同纤维掺量对抗折强度和抗裂性能的影响。结果表明：不同掺量的FC纤维对混凝土抗折强度略有提高,但效果不明显;当纤维掺量1 kg/m3～1.6 kg/m3,混凝土均未产生裂缝,抗裂效果明显。