岩石试件端面效应的变形局部化数值模拟研究

试件端面效应直接影响试件内的应力分布、试件破坏形式和剪切带图案。采用FLAC - 3D模拟了端面效应对岩石试件剪切带图案、速度场和位移场的影响。试样端部的缚束作用较强时 ,仅在试样中部出现X形的剪切带 ;反之 ,在试样端部出现了倾斜的剪切带。压头刚性越大 ,剪切带倾角越大。块体具有整体平移的特性 ,剪切带边缘位移梯度却较大 ,反映了块体沿剪切带发生滑动的剪切破坏本质。数值模拟结果可在众多的试验结果中找到佐证。     

内部爆炸薄圆板的变形及有效载荷

为了研究内爆炸薄圆板的失效与作用载荷特性，在双圆筒装置内开展了铝质、钢质薄圆板内爆炸实验，分析了圆板破坏模式及比冲量载荷特性，并基于相同变形下载荷相等原理，得到了钢质圆板极限变形下的有效比冲量及作用时间，提出了该工况下圆板变形的预估模型。结果表明:在内爆炸载荷作用下，薄圆板的夹持边界和几何中心是应力集中区，产生了塑性大变形、拉伸撕裂、剪切断裂3种破坏模式；圆板的比冲量载荷由初始的波浪式增长逐渐转化为线性增长，30～80 g某温压装药使1 mm厚钢质圆板产生极限变形的有效比冲量作用时间在2.26～2.93 ms之间，经验证，圆钢板变形预估模型得到的装药质量与实验装药质量偏差小于13.3%。     

爆炸载荷下分层梯度泡沫铝夹芯板的失效模式与抗冲击性能

采用弹道冲击摆系统开展了爆炸载荷下分层梯度泡沫铝夹芯板的变形/失效模式和抗冲击性能实验研究，并配合激光位移传感器得到试件后面板中心点的挠度-时程响应曲线。研究了炸药当量和芯层组合方式对夹芯板试件变形/失效模式和抗冲击性能的影响。实验结果表明，泡沫铝夹芯板的变形/失效模式主要表现为面板的非弹性大变形，芯层压缩变形、芯层拉伸断裂以及芯层剪切失效。在研究爆炸冲量范围内，非梯度芯层夹芯板的抗冲击性能明显优越于所有分层梯度芯层夹芯板。对于分层梯度夹芯板试件，爆炸冲量较小时芯层组合形式对分层梯度芯层夹芯板的抗冲击性能的影响不大，而爆炸冲量较大时，最大相对密度芯层靠近前面板组合形式的分层梯度夹芯板试件抗冲击性能较好。研究结果可为泡沫金属夹芯结构的优化设计提供参考。     

聚脲加固砖填充墙抗爆性能的试验和分析方法研究

为了掌握聚脲喷涂加固砖填充墙的抗爆特性,基于一种改进的大型爆炸试验装置,开展了聚脲加固框架砖填充墙的原型爆炸试验,分析了爆炸荷载作用下加固砖墙的动力响应特征和破坏过程及模式,揭示了其失效破坏机理。研究结果表明,聚脲加固可大幅提升填充墙构件的抗爆性能,显著增加填充墙构件的变形延性;加固砖墙受爆炸荷载作用发生振动的过程其体系刚度不断变化,最高相差133%;随着比例距离降低,加固砖墙的破坏模式逐渐由弯曲破坏转为剪切破坏,聚脲厚度超过6 mm可以有效限制局部剪切破坏现象;基于砖墙和聚脲涂层的抗力函数建立的理论计算模型,可以较为准确地预测爆炸作用下背爆面加固双向砖墙的正向位移响应过程。     

低速撞击下正交型纤维增强复合材料层板的脱层研究

用不饱和聚脂预浸渍玻璃纤维带制作了几种正交型铺层序列的层板梁试件,并对其在固支条件下进行了横向冲击实验。用嵌入式加速度传感器得到了载荷历史,通过高速摄影机和显微摄像系统从层板侧面观察了脱层现象。根据最大剪应力准则,通过对层板内部剪应力的分布以及不同铺层间三种不同剪切破坏强度的近似分析,解释了首次脱层具体位置和二次脱层现象。试验和分析表明,脱层失稳所对应的脱层阈值载荷与试件的铺层结构有关。但是,对不同铺层结构的试件,发生脱层的0°/90°界面具有相同的细观剪切强度。因此,用细观界面剪切强度来分析和预言试件的脱层失稳更具有一般性。     

碳纤维/环氧树脂仿贝壳珍珠层结构强韧机制与性能优化的实验研究

材料的轻量化设计在生产实践中具有重大意义,将天然贝壳珍珠层结构应用到现有的高性能人工合成材料上,能够获得性能更加优异的轻质高强结构材料。本文采用碳纤维/环氧树脂复合材料,设计出了多种具有规则"砖-泥"交错叠层结构的仿贝壳珍珠层复合材料,通过力学性能测试实验、微观结构表征及力学原理分析等对不同片层单元长度及不同单元搭接形式的材料在拉伸载荷下的力学行为进行了研究,探索了其微观结构对材料强度和韧性的影响机制。结果表明,"砖-泥"交错叠层结构中"砖块"单元长度是影响材料强度和韧性的关键因素,而在此基础上通过对片层搭接形式的优化设计,可进一步改善其内部的应力分布与载荷传递机制,从而实现其强度和韧性的进一步提升与有效调控。     

长持时爆炸冲击波荷载作用下梁板组合结构的动力响应

为研究钢筋混凝土梁板组合结构在长持时远爆冲击波荷载作用下的动力响应及毁伤形态,通过实验获得了梁板组合结构的破坏形态和背爆面中心点位移变化。利用有限元软件对钢筋混凝土梁板组合结构的动态响应过程进行数值模拟研究,模拟得到的结构破坏现象与实验吻合较好。在此基础上,分析了梁板组合结构在相同冲量、不同峰值爆炸荷载作用下组合结构的动态响应和破坏过程,并结合挠跨比与破坏形态划分破坏模式。研究结果表明,相同冲量作用下,随着爆炸荷载峰值强度增加,梁板组合构件的破坏程度逐渐增加,破坏模式从弯曲破坏向弯剪联合破坏转换,最后呈现冲切破坏模式;组合构件中板部分发生破坏的时间早于交叉梁部分、破坏程度大于交叉梁。     

0Cr17Mn5Ni4Mo3Al不锈钢绝热剪切破坏分析

应用分离式Hopkinson压杆（SHPB）装置对0Cr17Mn5Ni4Mo3Al不锈钢圆柱试件进行动态冲击实验。当用300 mm子弹、以50 m/s的速度加载,真应变达到45%时,不锈钢发生以轴线为对称轴的圆锥型破坏。但是用100 mm的子弹以同样的速度进行多次加载,真应变达到80%时,试件仍保持完好。说明试件的破坏与绝热条件有关。对处于破坏临界状态的试件进行金相观察发现：在横截面上,一个圆环形区域内的晶粒被拉长错位;而通过轴线的纵剖面内则有一个与轴线呈45°、宽度约10μm的狭长矩形区域内的晶粒被拉伸成“Z”字形,形成绝热剪切带,晶粒变形从端面到中心逐渐减弱。当高速变形继续进行时,该区域的温度会继续升高,试件将发生绝热剪切破坏。     

碳/碳复合材料T型悬臂梁弯曲失效分析

首次对碳/碳复合材料T型结构件进行了悬臂梁弯曲试验。通过化学气相沉积工艺制备了宽度为40mm的T40试件和宽度为50mm的T50试件,分别对两种试件的损伤失效模式和弯曲应力进行了研究;根据结构破坏区域的应变随载荷增加的变化规律,得到了结构在弯曲过程中的损伤失效进程。结果发现,在悬臂梁弯曲载荷作用下,结构处于正应力和剪应力耦合状态,耦合应力会使宽厚比较小的结构件容易在腹板根部出现局部失稳现象。应用横力弯曲理论对结构破坏截面上腹板边缘的正应力和面内剪切应力进行了简单计算。结果表明:屈曲失效的T50试件比剪切型破坏的T40试件的最大弯曲正应力小22.93%,说明屈曲失效会使结构的弯曲强度大幅下降;而T50试件的最大剪切应力比T40试件的高31.46%,说明屈曲失效主要由材料的剪切性能控制。最后通过有限元方法对T50试件在发生剪切型破坏时的最大弯曲正应力进行了计算,计算结果与试验中发生压缩剪切破坏的T40试件相比仅相差3%,可以较好地表征T50试件的弯曲强度。     

古建筑木材振动疲劳破坏特征分形分析

选取古木材为研究对象,进行了不同加载力下的疲劳试验,分析结果并观察断口形态。运用修正盒维法,对试件断口边界分形曲线求取了分维值,进一步探讨分形维数与疲劳寿命之间的关系。结果表明:木材断口可分为三种典型破坏类型,即Ⅰ型-抽出破坏、Ⅱ型-滑移破坏、Ⅲ型-端部破坏,分别对应断裂力学中的张开型、滑开型、撕开型;发生Ⅰ型破坏的试件对应的疲劳寿命最高,而发生Ⅱ型破坏的试件对应的疲劳寿命最低,发生Ⅲ型破坏的试件疲劳寿命居中。将发生典型破坏特征的试件裂纹进行提取,并进行分形分析。结果表明,疲劳寿命和分形维数呈负相关趋势,可根据分形维数初步推断木材断面的破坏形式和疲劳寿命区间。     

冻融循环作用下再生混凝土砖砌体通缝受剪试验研究

本文报导了对冻融循环作用下96个再生混凝土砖砌体抗剪试件进行的沿通缝抗剪试验。研究涉及冻融循环对再生混凝土砖砌体抗剪力学性能的影响,对比分析不同胶结材料试件的破坏形态及其抗剪强度,揭示冻融损伤对再生混凝土砖砌体抗剪强度的影响规律,并从微观角度探讨砂浆孔隙变化对砖砌体抗剪承载力的影响,建立再生混凝土砖砌体抗剪强度冻融损伤衰减模型。结果表明:砖砌体抗剪强度受冻融环境影响非常明显,其抗剪强度随冻融循环次数的增加而降低,降低的速度呈现出先慢后快的趋势;粉煤灰的加入有助于改善冻融环境下砖砌体的抗剪能力;对于石灰砂浆抗剪试件,初期的抗剪能力及冻融后的抗剪能力均下降;建立了考虑冻融损伤影响的砖砌体抗剪强度衰减模型,试验数据与计算结果吻合较好。     

Experimental investigations of the joint-mortar behaviour

An important failure mode of the masonry walls is the shearing process in joint mortar. In order to understand better this phenomenon, an experimental study is carried out on half brick couplet specimen. Load/Unload shear tests are performed to assess the type of the shear behaviour of the joint mortar. The cohesion and the internal friction angle are then derived from linear regression while assuming Mohr–Coulomb criterion. In particular, the influence of holes on the joint behaviour is studied by comparing results obtained with both solid and hollow bricks. In both cases, the experimental results show that there is not any stiffness degradation even in the softening regime. Actually, the shear modulus remains constant. Hence, the joint behaviour is considered to be elastoplastic, independently on the brick type. However, it seems that the presence of holes increases the stiffness but does not affect the internal friction angle of the joint mortar.     

加载速率对40Cr钢Ⅱ型动态断裂特性的影响

采用新型Ⅱ型动态断裂测试技术,对高强钢40Cr在高加载速率下的Ⅱ型动态断裂特性进行了测试研究。基于新设计的Ⅱ型动态断裂试样和分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）技术,通过实验-数值方法确定了裂尖在加载过程中的应力强度因子曲线。采用应变片法确定了试样的起裂时间,最终得到40Cr的Ⅱ型动态断裂韧性值,并对其加载速率相关性和材料的失效机理进行了研究。结果表明,在1.08～5.53 TPa·m1/2/s的加载速率范围内,40Cr的Ⅱ型动态断裂韧性基本表现为与加载速率成正相关的变化趋势。通过对试样断口形貌的分析,确定了材料的失效模式及机理,发现随着加载速率的增加,存在拉伸型失效向绝热剪切型失效模式转变的现象。     

单钢板混凝土剪力墙抗爆性能研究

钢板混凝土剪力墙作为一种新型的抗侧力构件，具有良好的耗能能力和抗冲击性能，已逐渐应用于建筑工程结构的抗震和防护结构的抗爆设计。设计了3个试件，分别为普通钢筋混凝土板、单侧钢板混凝土板和夹心钢板混凝土板，开展了钢板混凝土剪力墙的接触爆炸试验，并通过非线性程序LS-DYNA建立了3个钢板混凝土剪力墙试件的数值模型，对比分析了不同试件在接触爆炸作用下的动态响应、破坏模式和抗爆性能。试验和数值分析结果表明:接触爆炸作用下，试验设计的3种试件呈现3种破坏模式；普通钢筋混凝土板中部发生混凝土贯穿破坏，钢筋发生较大弯曲变形；单侧钢板混凝土板由于栓钉拔出发生钢板和混凝土分离，丧失整体性和继续承载能力；夹心钢板混凝土板发生上层混凝土压碎，夹心钢板、上层和下层混凝土板连接性能较强，整体性较好，具有继续承载的能力，且夹心钢板混凝土板跨中挠度和混凝土碎块飞溅距离较小。单侧钢板混凝土板和夹心钢板混凝土板配置钢筋网可以显著增强混凝土层和钢板的连接性能，有效减小上下层混凝土的碎裂和剥落，增强其整体性和抗爆性能。     

爆炸冲击震动对砖墙破坏作用的数值模拟

砖墙在爆炸冲击震动作用下的动力反应非常复杂,本构关系很难精确建立。本文阐述了砖墙几种常用的有限元模拟方法,分析各种方法的优缺点,确定采用一种砖块和砂浆分开的精细化建模的三维砖墙有限元模型;通过LS-DYNA软件,得到砖墙在水平爆炸冲击震动荷载下的破坏过程,计算结果与实验现象很好。研究表明:该种分析模型综合考虑了砖块和砂浆之间复杂的相互作用,并且对砂浆层进行了单独建模,保证了砖墙在数值模拟上的真实性和正确性,因此可以准确地模拟出实验中砖块之间砂浆层的损伤积累破坏。     

An Experimental Investigation of Deformation and Fracture of Nacre–Mother of Pearl

Nacre, also known as mother-of-pearl, is a hard biological composite found in the inside layer of many shells such as oyster or abalone. It is composed of microscopic ceramic tablets arranged in layers and tightly stacked to form a three-dimensional brick wall structure, where the mortar is a thin layer of biopolymers (20–30 nm). Although mostly made of a brittle ceramic, the structure of nacre is so well designed that its toughness is several order of magnitudes larger that the ceramic it is made of. How the microstructure of nacre controls its mechanical performance has been the focus of numerous studies over the past two decades, because such understanding may inspire novel composite designs though biomimetics. This paper presents in detail uniaxial tension experiment performed on miniature nacre specimens. Large inelastic deformations were observed in hydrated condition, which were explained by sliding of the tablets on one another and progressive locking generated by their microscopic waviness. Fracture experiments were also performed, and for the first time the full crack resistance curve was established for nacre. A rising resistance curve is an indication of the robustness and damage tolerance of that material. These measurements are then discussed and correlated with toughening extrinsic mechanisms operating at the microscale. Moreover, specific features of the microstructure and their relevance to associated toughening mechanisms were identified. These features and mechanisms, critical to the robustness of the shell, were finely tuned over millions of years of evolution. Hence, they are expected to serve as a basis to establish guidelines for the design of novel man-made composites.     

Broken beams

A series of experiments has been conducted, utilizing sheet explosive opplied to clamped aluminum beams, with a neoprene buffer. As the load is monotonically increased, three damage modes are identified, which respecitively are major inelastic deformation, tearing at the extreme fiber, and transverse shear at the support. Satisfactory correlation is reported for the extent of inelastic deformation using a lumped parameter, finite-difference code; thresholds for tearing and shear failure based on empirical criteria are presented. Using a Timoshenko beam theory, the shear threshold appears to be dependent on the section velocity, rather than upon the shear stress.     

Interlaminar shear strength of cloth-reinforced composites

A test specimen to define the interlaminar shear strength of cloth-reinforced composite materials is developed. The specimen is a hollow circular cylinder which is subjected to torsion. The experiment is employed for the determination of the warp-normal shear strength of a graphite-fiber carbon-matrix composite material. It is demonstrated that the proper failure mode takes place, while the problems associated with the use of strain gages on this porous material, nonlinearity, difference in tension and compression properties, and the influence of clamping effects are all discussed. The proposed experiment appears to be ideally suited to study the interlaminar shear response of cloth-reinforced composites.