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.     

微观因素对铸铁材料极限强度的影响

为了研究微观因素对铸铁材料极限强度的影响,根据材料的破坏机理,提出了一种宏、微观跨尺度裂纹扩展模型,该模型可描述材料从微观缺陷到宏观断裂的过程。模型中初始微观缺陷大小及3个尺度效应函数,代表着微观因素对破坏过程的影响。进行了铸铁试件的单向拉伸试验,根据试验数据,采用打靶计算,拟合出了模型中的2个材料特性参数。对铸铁试件的拉伸极限强度进行了计算,计算结果与铸铁件拉伸极限强度的试验数据完全吻合。研究结果表明,极限强度值受微观因素影响具有一定的离散性,可由模型得到正确反映。最后通过数值模拟计算,探讨了微观因素对材料破坏过程的影响。     

具有初始损伤的混凝土动态轴拉力学性能仿真研究

基于瓦拉文公式与蒙特卡罗方法并采用Matlab语言构建了随机骨料数值模型,在损伤断裂理论基础上通过Python编程语言于砂浆界面、骨料与砂浆界面和骨料界面嵌入黏聚力单元,建立了二级配混凝土黏聚力模型用于描述混凝土中裂纹萌生、扩展、演化和贯通全过程.以建立的细观模型为基础,对不同孔隙率以及不同微裂纹密度混凝土试件进行了不同应变速率下的动态拉伸加载,研究了混凝土动态轴拉力学性能.结果表明：混凝土轴拉峰值应力与孔隙率呈明显非线性关系,下降曲线为对数函数趋势,孔隙率增加后其对混凝土轴拉峰值应力削弱程度降低,具有初始孔隙的混凝土动态抗拉强度随应变速率的增加而提高.具有初始微裂纹混凝土随着微裂纹密度的增加其峰值应力下降,且动态轴拉强度同样具有速率效应.     

基于颗粒流法研究混凝土的劈裂拉伸破坏特性

基于二维颗粒流程序,构建了包含水泥砂浆、不规则多边形骨料和水泥砂浆与骨料的交界面的二维混凝土细观模型,采用标定后的平节理模型参数,对混凝土破坏的裂纹演化和破坏机理进行研究. 模拟结果表明:宏观破坏的细观机制是水泥砂浆、骨料以及交界面内的裂纹扩展和演化造成的;随机骨料的分布会对混凝土的峰值应力和破坏模式有一定的影响;巴西圆盘试件内的裂纹起始于加载端,随着载荷增加裂纹向中心扩展,混凝土试件呈现出劈裂拉伸破坏的模式;随着加载速度的提高,沿加载方向上的主裂纹及其他次生裂纹相互作用,使混凝土试件出现大量的碎块;裂纹统计结果显示,在细观层次上,拉伸型裂纹主导了混凝土试件的劈裂破坏,少量的剪切型裂纹主要集中在试件加载端的骨料附近.      

内置三维裂隙非均匀性岩石渐进破坏数值研究

岩石内部裂隙缺陷对新裂纹的萌生扩展有显著影响,导致岩石强度大幅降低甚至破坏.研究内置缺陷岩石裂纹的萌生、演化与微破裂分布,有助于揭示岩体渐进破坏规律,具有重要的工程意义.采用细观损伤数值方法对单轴压缩下内置裂隙岩石的破坏进行研究,再现不同均质度岩石微破裂萌生、发育、扩展、贯通直至破坏以及整个过程的声发射分布.将数值试验同物理实验比较,结合前人研究进行分析.结果表明,内置三维裂隙岩石裂纹扩展和破坏过程与相应物理实验总体上一致;在较均质岩石中观察到反翼型裂纹,揭示出反翼型裂纹主动偏向翼型裂纹扩展的现象;鱼鳍状裂纹在椭圆裂隙扩展试验中极易出现,并在均质岩石中表现为翼型裂纹与反翼型裂纹以卷曲面形式扩展形成包裹状破裂面;岩石非均匀性对其应力场,强度,声发射和破坏形式有显著影响,均质性差的岩石易沿着内置斜裂隙发生单截面剪切破坏;细观损伤数值方法可以模拟岩石破裂全过程并揭示微破裂空间位移、聚集规律,研究结果可为研究岩石破坏机理的物理实验和理论分析提供借鉴.     

海洋导管架平台焊接节点低周疲劳性能

为了研究海洋平台中焊接节点的低周疲劳性能,设计了海洋用钢DH36钢的标准拉伸试件和角焊缝试件,进行材料性能和节点静力拉伸实验;其次进行铜加速乙酸盐雾实验,并将其当量折算为海洋环境谱作用,完成非腐蚀和腐蚀节点试件的对照低周疲劳实验,得到节点试件疲劳性能;通过ABAQUS与FRANC3D的交互,针对角焊缝试件的3种初始裂纹进行裂纹扩展模拟,提出疲劳寿命评估方法.研究结果表明:焊接缺陷比短期腐蚀作用对试件疲劳寿命的影响更大;采用焊根双边贯穿裂纹计算角焊缝试件低周疲劳寿命,具有较高的可靠性.     

裂纹缺陷对结构动态断裂行为的影响效应研究

采用落锤冲击加载的方式,结合焦散线方法,研究了裂纹缺陷对有机玻璃(PMMA)板条试件动态断裂行为的影响效应。通过对试件断裂破坏过程的观测和分析,得到了裂纹尖端动态应力强度因子和裂纹扩展速度的变化规律。结果表明,该试验加载条件下,结构的断裂韧度约为1.00 MN/m~(3/2);裂纹缺陷的存在对运动裂纹扩展的总体效果是抑制的,含裂纹缺陷试件中运动裂纹的扩展时间约为不含裂纹缺陷的1.5倍;随着裂纹缺陷长度的增加,运动裂纹在缺陷处再次起裂更为困难。     

6061-T4铝合金搅拌摩擦焊T型接头拉伸断裂实验研究

针对6061-T4铝合金搅拌摩擦焊T型接头力学性能开展了实验研究,首先通过显微观测分析了T型接头的缺陷特征,随后进行了沿蒙皮板方向和沿支撑板方向的宏观拉伸实验,利用数字图像相关(DIC)方法研究了接头的拉伸断裂行为.实验结果表明,焊接接头中均存在弱连接缺陷,且弱连接缺陷是导致接头沿筋板断裂的主要原因.沿蒙皮板方向拉伸时,接头的强度受焊接参数的影响不大,且其断裂主要是由热影响区(HAZ)材料软化且两侧材料强度差异较大所引起;沿支撑板方向拉伸时,试件首先在弱连接缺陷处萌生裂纹,裂纹在载荷作用下沿弱连接所在的方向扩展,并在试件另一侧靠近筋板处产生明显的应力集中区域,最终试件发生剪切断裂失效.此外,接头沿筋板方向抗拉强度随焊接转速的增加有增大趋势.     

基于初始缺陷形状的混凝土结构锈胀开裂理论模型

为考虑材料初始缺陷形状的影响,将其假定为三维半椭球形.基于断裂力学理论将锈胀裂缝扩展过程划分为两个临界阶段:初始开裂阶段和完全开裂阶段,并分别对两组临界阶段进行了分析,建立了混凝土构件保护层胀裂时的锈胀力及开裂时间预测模型.为了验证所提出预测模型的正确性,分别采用已有的室内锈蚀实验、现场测试数据进行验证,计算结果吻合较好,说明本文预测模型具有一定合理性.在此基础上,对初始缺陷长度、混凝土保护层厚度、钢筋半径、相对保护层厚度等参数进行敏感性分析,结果表明增加混凝土保护层厚度和相对保护层厚度,有利于提高钢筋混凝土结构的服役性能.     

带裂纹碾压混凝土层面强度尺寸和边界效应

研究了碾压混凝土层面中带不同削弱度裂纹时远场强度的尺寸和边界效应,指出对强度影响的不仅仅是试件尺寸,也包括试件边界、裂纹长度和裂纹数量等因素.应用界面断裂力学理论和混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型断裂准则,对Hu和Wittmann的强度效应律做了理论上的扩展,使之符合碾压层面抗拉强度的断裂特性;最后建立了碾压混凝土层面强度的尺寸与边界效应回归曲线.