基于损伤力学的疲劳全寿命数值预估方法

疲劳失效是影响结构件使用安全的主要问题,对疲劳寿命进行准确预测具有重要的工程意义。基于采用平均应力修正的损伤力学演化模型,结合有限元法建立了同时考虑裂纹萌生与扩展的疲劳全寿命数值预估方法。为了验证该方法,开展了不同应力水平下铝合金开孔板试样疲劳试验与疲劳数值模拟。结果表明,基于所建立的疲劳数值分析方法能够有效预测开孔板裂纹扩展过程及疲劳全寿命,预测寿命误差带在两倍以内。     

冻融循环条件下沥青混合料的损伤规律

为研究冻融循环作用对沥青混合料水稳定性的影响,基于表面自由能理论,分析了不同冻融循环次数下沥青-集料界面间黏附功与剥落功的变化情况,并对沥青混合料的水稳定性进行了评价;在此基础上,利用劈裂试验及Logistic模型进一步探究了沥青混合料的饱水程度与冻融作用对其水稳定性的影响.研究结果表明：随着冻融循环次数的增加,沥青的表面能及黏聚功降低,沥青-集料间的黏附功降低,剥落功升高,沥青混合料的水稳定性减弱;沥青混合料的空隙率随冻融循环次数的增加而增大,其劈裂强度降低;冻融过程中沥青混合料的饱和度越大,其损伤程度与损伤速率越大,当沥青混合料的饱和度大于50.00%时,冻融作用对沥青混合料性能的影响愈发明显,因此推荐沥青混合料的冻融劈裂试验在饱和度高于50.00%的条件下进行.     

半刚性基层疲劳损伤模型及寿命预估

本文基于临界损伤值DC不等于1的基本假定,借助损伤力学理论建立半刚性基层的疲劳损伤模型,并结合脆性材料S-N关系方程,得出了模型参数C的一个新的函数表达式 。通过疲劳试验对Dc值以及C表达式中的待定系数a、b进行测定,并对多个试件疲劳寿命进行了预估计算。研究结果表明半刚性基层材料Dc值约为0.6,利用本文建立的损伤模型,在当前损伤量仅为0.3至0.5倍临界损伤值时,即可较早地对试件疲劳寿命进行预估,预估结果与试验结果吻合较好。     

冻融循环作用下泥岩的力学特性及损伤机理研究

为研究冻融循环作用下岩石的损伤特性及发展规律,以泥岩为例,对泥岩在不同次数冻融循环条件下进行了单轴压缩和超声波检测试验,并分析在不同冻融循环条件下泥岩的力学特性.结果表明:随着冻融循环次数的增加,试样的原生裂隙受到反复冻胀荷载的作用引起损伤,试样脆性减小、延性增大,单轴抗压强度、弹性模量以及纵波波速均减小;对各力学参数...     

冻融循环下混凝土细观结构演化及力学损伤特性研究进展

周期性冻融循环会对季冻区混凝土材料的细观结构产生不可逆损伤,进而劣化其承载能力与耐久性能。混凝土的冻融破坏本质上是内部孔/裂隙等初始缺陷在周期性冻胀力的作用下发生的疲劳损伤累积。因此,开展冻融循环条件下混凝土材料细观结构损伤演化特性的研究对于评估寒区在役混凝土结构的安全性具有重要的意义。围绕冻融循环条件下混凝土细观结构演化及力学损伤特性两个核心内容,针对混凝土细观结构获取与表征技术、混凝土冻融循环室内物理试验与数值模拟方法,以及混凝土力学损伤特性与耐久性评估等方面的研究现状进行了系统的总结与分析。传统的冻融研究主要集中于宏观尺度下混凝土局部损伤演化,从细观尺度入手,研究了冻融循环下混凝土细观结构演化与力学损伤特性,有助于更加深入地了解宏观力学性能与耐久性劣化背后的冻融破坏机制与初始孔/裂隙缺陷扩展-聚并-贯通的发展规律。在此基础上,建立考虑冻融参数的细观结构演化与宏观损伤特性之间的内在联系,实现冻融环境下混凝土材料宏观物理力学特性的准确分析。为寒区工程结构服役期的损伤特性识别、稳定性与耐久性分析提供参考。     

冻融循环条件下英安岩损伤劣化力学机理研究

岩石的变形及破坏是高寒地区较为常见的工程地质问题,为了揭示岩石在冻融环境下的损伤及变形破坏演化深层规律,选取西藏如美水电站中坝址右岸出露的英安岩为研究对象进行深入分析。首先利用扫描电镜-X射线能谱仪(scanning electron microscope-energy dispersive X-ray spectrometer, SEM-EDS)对英安岩进行矿物成分分析,随后开展单轴压缩试验并结合相关、偏相关分析确定对试样力学特性影响最大的矿物成分。通过模拟研究区真实的冻融环境开展冻融循环试验,结合不同冻融次数下试样物理性质及细观结构的变化情况进行深入分析并采用数值仿真模拟重现冻融循环过程中试样内部温度及应力应变的演化特征,揭示英安岩冻融损伤劣化的力学机理。研究结果表明:英安岩呈现脆性破坏主要是由斜长石和石英的损伤劣化所引起的,其中斜长石和石英矿物晶体间产生的脆性裂纹以及两者游离态晶体颗粒的析出是英安岩劣化微裂隙扩展的关键因素,沿石英和斜长石晶体晶界结构所产生的脆性断裂是英安岩细观损伤延伸扩展的主要形式。数值模拟结果表明:冻融循环过程中英安岩内部的温度变化响应及分布形态主要受细观结构控制,裂隙端部所产生的拉应力及剪应力集中区是裂隙延伸扩展的力学基础。     

冻融循环作用下乳化沥青冷再生混合料损伤分析

目的研究乳化沥青冷再生混合料在冻融循环作用下宏微观损伤情况,揭示损伤规律.方法基于室内试验分析不同饱水状态下乳化沥青冷再生混合料经历不同冻融循环作用下的空隙率、高温性能和低温性能,运用扫描电镜(SEM)观测水泥乳化沥青复合胶浆微观形貌和化学元素组成.结果经历冻融循环20次,完全干燥、50%饱水和完全饱水状态下乳化沥青冷再生混合料空隙率增加幅度为3.0%、14.2%和19.5%,高温贯入强度降低幅度达20.6%、31.8%和49.1%,贯入深度增加幅度达24.5%、53.5%和80.4%,低温劈裂强度降低幅度达22.5%、44.7%和56.1%;经历冻融循环10次,乳化沥青与水泥水化产物分离,水泥乳化沥青复合胶浆晶体中碳元素质量分数降低幅度达56.4%,钙元素和硅元素质量分数增加幅度达2.50倍和2.17倍.结论冻融循环作用使乳化沥青冷再生混合料空隙率增加、高低温性能下降、复合胶浆损伤.     

冻融循环对玻化微珠保温砂浆力学性能的影响

玻化微珠保温砂浆作为一种墙体保温材料,在建筑节能方面发挥了巨大作用,因而研究其耐久性显得尤为重要。通过对冻融循环0、5、15、25、50次后玻化微珠保温砂浆材料的基本力学性能和微观物相特征进行试验研究,得出以下结论:冻融循环50次后,保温砂浆的拉伸粘结强度、弹性模量、抗拉强度、抗折强度和抗压强度均有不同程度的减小,并且抗拉强度的强度损失率最大,但是依然满足规范对保温砂浆强度的要求;保温砂浆中的玻化微珠颗粒会随着冻融循环次数的增加而发生局部破坏,内部水泥浆孔洞数量变多,孔径变大,表面出现微小裂缝。     

基于改进S-VECD模型的沥青胶浆疲劳寿命预估

为了分析沥青结合料和填料体积分数对沥青胶浆疲劳特性的影响,研究沥青胶浆应力-应变、材料完整性系数与强度损伤演化关系,计算沥青胶浆的疲劳作用次数,采用石灰石磨细矿粉、SK90和KL70基质沥青,分别制备4种不同填料体积分数的沥青胶浆。基于黏弹性连续损伤理论和疲劳破坏准则,建立了线性振幅扫描(LAS)试验沥青胶浆疲劳寿命预估模型(S-VECD),利用有限测试结果,预测在给定的加载历史中材料的损伤演化及疲劳寿命。同时,对沥青胶浆进行温度-频率扫描,根据时间-温度叠加原理和CAM模型,建立动态剪切模量主曲线,计算双对数坐标轴下频率-模量主曲线斜率和移位因子,作为疲劳寿命预估模型的输入参数。研究结果表明:填料的加入使沥青胶浆LAS应力-应变曲线峰值宽度减小,胶浆的应变依赖性增加;沥青胶浆的最大允许应变随填料体积分数增大呈现先增加后减小的趋势,且存在最佳体积分数;随着填料体积分数的增加,强度损伤参数S与材料完整性系数C~*曲线斜率的绝对值增大,材料破坏速度加快;在相同的温度和测试频率下,随着填料体积分数的增加,沥青胶浆的疲劳寿命减小;在相同的填料体积分数下,基质沥青的疲劳寿命越大,其对应的沥青胶浆疲劳寿命也越大;沥青与填料之间相互作用系数越大,沥青胶浆疲劳性能越好。     

冻融循环下纤维增韧型环氧沥青混合料损伤演化

为了研究季冻区玄武岩纤维增韧型环氧沥青混合料的性能劣化规律,首先,通过沥青黏温曲线分析和直接拉伸性能测试,初步确定纤维长度和掺量,并对比纤维改性前后的环氧沥青混合料(EAC)的路用性能,进一步确定最佳纤维长度和掺量,形成玄武岩纤维增韧型环氧沥青混合料(FEAC)的设计流程。随后,进行低温弯曲试验,测试不同冻融损伤程度沥青混合料的弯拉强度、弯拉应变、弯曲劲度模量和弯曲应变能密度。研究结果表明：6%(质量分数)玄武岩纤维掺量的FEAC具有较好的高温性能和低温抗裂性,并保持了与EAC相当的水稳定性。随着冻融循环次数的增加,EAC和FEAC的弯拉强度、弯曲劲度模量和弯曲应变能密度逐渐降低,而弯拉应变的变化趋势则与之相反。相较于EAC,FEAC表现出更高的弯拉强度、弯拉应变和较低的弯曲劲度模量。FEAC和EAC的弯曲应变能密度冻融损伤变化均呈现明显的3段式性能下降。S形逻辑函数能够有效地描述冻融循环的损伤变化规律,其中模型参数a、k和x_c显示出玄武岩纤维对延缓环氧沥青混合料冻融损伤增长具有积极作用。     

水化学及冻融循环对砂岩物理力学特性试验研究

以寒区砂岩为研究对象,考虑水化学溶液的侵蚀和冻融循环的影响,开展不同酸性条件下岩石冻融循环试验,引入岩石损伤变量,定量分析砂岩力学损伤规律。结果表明:随着酸性增强及冻融循环次数的增大,砂岩的弹性模量、抗压强度逐渐减小,砂岩内部损伤逐渐增大;酸性条件与冻融循环的耦合作用加剧岩石的损伤,酸性最强条件下(p H=2),经历60次冻融循环试件弹性模量、抗压强度下降55.70%和54.57%;分析砂岩的弹性模量、抗压强度及损伤变量与冻融循环次数关系,定量关系可表征为指数变化关系。建立岩石力学参数损伤变量,对水化学冻融循环耦合机理进行研究,探究岩石力学性质的劣化机制。研究成果将为不同水化学条件下寒区工程长期稳定性分析提供试验依据。     

冻融循环对水泥土力学特性的影响

以水泥土在季节性冻土地区的路基、基坑挡土墙以及堤防防渗墙等水泥土工程中的安全性为研究背景,对不同冻融循环次数后的水泥土进行抗剪强度、抗压强度以及渗透系数试验,得到了不同冻融循环次数对水泥土抗剪强度、抗压强度以及渗透系数影响的试验数据.试验数据表明,水泥土的抗剪强度、抗压强度随着冻融循环次数的增加而降低,水泥土的渗透系数随着冻融循环次数的增加而增大,建立了水泥土抗剪强度、抗压强度以及渗透系数随冻融循环次数变化的回归曲线方程.结果表明水泥土在季节性冻土地区应用时应考虑冻融循环对水泥土力学性能的侵蚀效应.     

冻融循环对黄土物理力学性质影响的试验

通过补水条件下的冻融循环试验,研究冻融循环作用对黄土样的水分分布、变形和干密度的影响.试验结果表明:反复的冻融循环作用使得土样含水量增加,从底板到顶板土样含水量逐渐递增,冻融界面附近含水量变化梯度较大;黄土样在冻融循环初期冻胀变形比较剧烈,之后总体变形趋于稳定,冻融循环后期土样出现较小的沉降变形;冻融循环使得黄土样的干密度逐渐减小,且冻融循环剧烈的上部干密度较下部更小.     

压力容器低周疲劳寿命的损伤力学理论研究

采用材料延性指标（断面收缩率ψ）定义了一种疲劳损伤变量Ｄψ，并将该损伤变量应用于１６ＭｎＲ压力容器用钢疲劳损伤的研究，提出了一种新的压力容器低周疲劳寿命预测的损伤力学理论，研究结果表明，本文建立的损伤力学方法比局部应力应变法更接近实验结果。     

温度对沥青混合料导热系数的影响及预估模型验证

为提高就地热再生加热过程中沥青路面温度场的计算精度,采用理论分析和试验相结合的方法,对温度影响沥青混合料导热系数的规律、沥青混合料导热系数预估模型及沥青路面传热模型进行研究。研发基于一维稳态传热原理的单防护平板法沥青混合料导热系数测试装置,测试不同温度下集料、沥青胶浆和沥青混合料的导热系数以及沥青形态随温度变化的规律,分析温度影响沥青混合料导热系数的机理,对比不同模型预估沥青混合料导热系数的精度;将沥青混合料导热系数随温度变化的函数引入沥青路面传热模型,对沥青路面传热模型进行优化,并通过模拟加热试验,对优化前后沥青路面传热模型的精度进行对比。研究结果表明：随着温度的升高,沥青逐渐由固态转化为液态,SBS沥青的软化点在50℃附近,导致沥青混合料导热系数在低于50℃时,随温度的升高而增大,在高于50℃时,随温度的升高而减小;Williamson模型、并联模型、串联模型和陈则韶模型中,Williamson模型预估的沥青混合料导热系数与试验结果吻合度最好;考虑沥青混合料导热系数随温度变化规律的沥青路面传热模型更精确,预估的沥青路面加热功率曲线与试验结果重合度好,为沥青路面就地热再生加热过程中加...     

桥面沥青铺装温度场的特性及预估模型

为了揭示桥面铺装温度场的分布特性并建立预估模型,测试道路和桥面沥青铺装的温度场并进行对比分析。在夏季高温期和冬季低温期实测温度场,收集或计算气温、风速、湿度和太阳辐射等气象要素,对比分析实测温度场,揭示桥面铺装温度场的分布特性;采用统计分析方法,建立桥面铺装夏季日最高温度和冬季日最低温度的预估模型。研究结果表明:桥面铺装温度与气温几乎呈同步周期性变化;与道路铺装相比,桥面铺装的夏季日最高温度高1.4℃(3cm处)、日温差大2.2℃;路表、距路表3cm和7cm处的冬季日最低温度分别高3.3℃、1.8℃和0.9℃,冬季日温差分别小2.0℃、2.2℃和2.1℃;建立了以气温、太阳辐射、风速与湿度为变量的桥面铺装夏季日最高温度和冬季日最低温度预估模型,与LTPP和SHRP模型相比,该模型在预估桥面铺装温度场时具有更好的精度。     

冻融循环对高寒地区沥青混合料弯拉性能的影响

为准确地评价冻融循环作用对高原寒冷地区沥青路面的服务水平和使用寿命影响,在沥青混合料冻融循环弯曲试验的基础上,分析了冻融循环次数对混合料弯拉性能的影响,利用指数模型进行了拟合;应用方差分析检验了冻融循环影响的显著性;采用损失率模型,通过Logistic模型评价了混合料在冻融作用下的衰减特性.结果表明:沥青混合料的弯拉强度、弯拉应变随冻融循环次数的增加呈减小趋势,初期冻融循环作用下混合料性能衰减较快,经历15~21次冻融循环后弯拉性能衰减趋于平缓.方差分析表明:冻融循环对混合料的弯拉性能影响显著;弯拉性能损失模型较好地反映了冻融循环作用的影响.     

火灾后钢筋混凝土构件的寿命预估

分析了火灾后混凝土结构构件的抗力,在此基础上运用可靠度分析的JC法对火灾后的混凝土构件的使用寿命进行了分析,提出了火灾后混凝土构件的抗力计算模型和火灾后混凝土构件寿命预估的计算模型,并进行了工程实例分析.     

镀层材料热及力学特性对枪管寿命的影响

为研究枪管镀层材料性能对枪管寿命的影响,综合运用身管镀层剪切失效理论和疲劳损伤累积理论,提出了基于镀层界面剪切疲劳损伤的枪管寿命预测模型.以某小口径步枪为研究对象,基于有限差分法,对内膛涂镀铬、钽和氮化硅三种不同材料的枪管在10连发射击过程中的温度场分布、镀层内应力分布以及枪管寿命进行了数值计算,研究了镀层材料的热及力学特性对枪管寿命的影响.研究结果表明,镀层的热扩散系数、影响因子η及断裂长厚比是影响枪管寿命的几个关键性能,其中断裂长厚比对界面切应力和枪管寿命的影响最大,拥有较大断裂长厚比的镀层可以在射击过程中显著降低界面切应力,进而提高枪管寿命.