岩石变形演化诱致灾变破坏过程的同步实验观测

将试样变形场演化特征与试样的宏观载荷位移曲线的演化特征结合起来研究是揭示非均匀脆性介质变形演化诱致灾变破坏的一个重要途径.本文发展了一套实验系统,通过对试样表面变形场的演化、宏观载荷和位移信号的同步观测,对单轴加载下岩石试样变形演化和灾变破坏的过程进行了实验研究.揭示了试样变形场由加载初期的随机涨落到灾变破坏前出现明显的变形局部化的演化特征现象,试样最终在变形局部化区内形成宏观破裂面.     

考虑细观变形特征的镁合金宏观本构模型及数值模拟

为了能有效描述镁合金宏观各向异性塑性行为,考虑了滑移、孪生、去孪生三种细观变形模式的特点,给出了相应的硬化函数;根据VonMises屈服准则,发展了一种镁合金宏观本构模型及其迭代算法。模型将变形模式的开启与晶粒取向相关联,同时针对镁合金孪生变形时引起的晶粒重新定向问题,描述了一种晶向偏转的方法。在此基础上编写了ABAQUS/UMAT材料用户子程序;利用开发的本构模型,开展了单轴拉伸、单轴压缩、单轴循环拉压加载条件下镁合金塑性行为的数值模拟,并对随机织构下的镁合金板材轧制过程进行了有限元仿真实验。模拟结果表明:单轴拉伸、单轴压缩和循环加载情形下的镁合金宏观硬化行为与实验结果基本吻合;轧制后镁合金板材表现出了应力-应变不均匀特性,多晶织构演化结果与实验结果基本一致。说明文中所提出的宏观本构模型、晶向偏转模型能够有效描述镁合金的宏观塑性行为和织构演化。     

压缩载荷下孔隙结构变化的CT实验研究

为了研究孔隙对岩石力学性能的影响,利用自制的孔隙物理模型,通过 单轴压缩和CT扫描实验研究了受载条件下孔隙率对岩石孔隙结构的演化及其对外部物理力 学性能的影响,得到了不同加载阶段和不同CT观察尺度下孔隙模型的裂纹扩展规律以及孔隙 和固体介质的损伤变化情况. 实验结果表明：孔隙模型在受载条件下裂纹主要发生在峰值荷 载之后,主裂纹大都集中在孔隙密集的地方且伴随许多细小裂纹的产生;峰值载荷前出现了 少数微裂纹,微裂纹的产生与演化主要发生在孔隙周边.     

基于微结构动态演化机制的单晶镍基高温合金晶体塑性本构及其有限元模拟

因其优异的高温力学性能,镍基单晶高温合金在航空航天和能源等领域得到了广泛的应用.镍基单晶高温合金优异的高温性能来源于其特有的两相微结构.基于代表体胞模型及分块均匀化方法,以位错密度为主要内变量,发展了一个包含两相微结构和位错演化信息的单晶镍基高温合金塑性行为的本构模型.该本构模型充分考虑了镍基单晶合金中位错在基体相和沉淀增强相中的多种演化机制,例如,基体位错八面体滑移、立方滑移、位错攀移、交滑移、位错弓出、位错切过沉淀增强相以及位错Kear-Wilsdolf(K-W)锁形成与解锁等.在商用有限元软件ABAQUS的框架下,编制了UMAT用户材料子程序.利用该用户子程序,对单晶和多晶镍基高温合金在不同温度、不同加载方向下的单调塑性、循环塑性、蠕变等典型行为进行了计算模拟.结果表明:该晶体塑性本构模型能"统一地"刻画镍基高温合金在不同温度、不同方向下的多种变形行为,并与实验结果具有良好的一致性.     

薄板试样斜断口形成机制及损伤断裂过程分析

为分析不同材料和尺寸的薄板试样在室温下拉伸破坏后均形成与横截面夹角在20°~25°之间斜断口的原因,首先用统计方法对试样内随机分布微缺陷进行讨论,提出一种在宏观尺度上材料内微缺陷分布局部非均匀简化模型的假设.应用含孔材料损伤本构模型对含有不同方向微缺陷分布局部非均匀薄带区域的16MnNb薄板试样变形至破坏全过程进行数值模拟.结果表明,斜断口形成主要是由于试样内在与横截面夹角小于45°的带形区域内微缺陷分布局部非均匀造成,且与该带形区域在试样中位置无关;由于考虑微缺陷分布局部非均匀,得到试样的斜断口形成过程与试验现象完全一致;同时结合试验断口形貌,对变形过程中颈缩截面内损伤演化和破坏过程进行研究,进一步解释薄板试样的损伤破坏机制.     

单轴拉伸条件下脆性岩石微裂纹损伤模型研究

利用断裂力学、损伤力学和均匀化原理,对脆性岩石单轴拉伸条件下的力学特性进行分析,建立了脆性岩石的微裂纹损伤本构模型.首先对岩石内部微裂纹的统计分布规律进行分析,给出了理论分析过程中微裂纹分布的假设条件,在此基础上,参考已有研究成果,得到含细长微裂纹脆性岩石有效弹性参数的计算公式.然后,对岩石内部单一微裂纹进行断裂力学和损伤力学分析,得到了扩展裂纹尖端的应力强度因子计算公式,在一定微裂纹断裂扩展准则和断裂扩展速率的假设基础上,利用积分原理,得到了岩石整体的损伤变量和损伤演化方程,由此建立单轴拉伸条件下脆性岩石的微裂纹损伤本构模型.最后,通过一花岗岩的单轴拉伸试验结果对微裂纹损伤本构模型进行了验证.     

考虑运动硬化的DD3镍基合金力学行为研究

详细介绍了镍基合金的晶体塑性本构模型,在Asaro大变形晶体塑性框架下,详细介绍了镍基合金的晶体塑性本构模型,在Asaro大变形晶体塑性框架下,引入了运动硬化规律,考虑了温度和应变率对晶体塑性变形的影响,通过针对每个滑移系考虑屈服准则和流动规律建立了晶体塑性模型. 对积分过程进行了推导,通过编写ABAQUS材料用户子程序(UMAT), 实现本构模型的有限元积分算法. 在此基础上模拟了DD3镍基单晶合金在单轴拉伸和循环载荷下的响应,并与实验数据进行了对比. 利用该模型可以很好地模拟镍基单晶所具有的各向异性特性,体现了镍基单晶在循环载荷作用下的拉-压不对称性.      

45号钢氢致脆断试验与GTN模型数值模拟研究

采用电化学方法对试样充氢后再进行单轴拉伸,在此基础上研究45号钢的氢致脆断问题.试验观察到,随充氢时间增加,试样的延伸率和平均断裂应变减小,断口韧窝数目减少,准解理区域增加.但该改变逐渐减缓,充氢大于72 h若继续充氢试样延性和断裂应变几乎不再变化.基于试验观测,将HEDE机制和受氢影响的材料微孔洞演化机制引入GTN本...     

多孔铁电陶瓷冲击压缩响应与损伤演化的离散元数值模拟

采用flat-joint粘结模型，建立多孔铁电陶瓷在一维应变冲击压缩下的PFC (particle flow code)颗粒流离散元模型，通过数值模拟再现了平板撞击实验中实测的自由面速度剖面历史，并揭示了多孔铁电陶瓷在冲击压缩下的响应过程与损伤演化机制。多孔铁电陶瓷在冲击压缩下的响应过程可分4个阶段:弹性变形、失效蔓延、冲击压溃变形、冲击Hugoniot平衡状态；其中，失效蔓延的内在机制是由剪切裂纹的成核与增长，而冲击压溃变形的主要机制是孔洞的塌缩以及层状剪切裂纹的形成与扩展；冲击速度与孔隙率对铁电陶瓷的响应有显著的影响，Hugoniot弹性极限强烈依赖于孔隙率，但与冲击速度的大小无关，宏观损伤累积随着冲击速度和孔隙率的增加而增加。     

描述大应变率范围下材料响应的粘塑性本构模型

以位错动力学理论中的Ｏｒｗａｎ和Ｇｉｌｍａｎ关系为基础建立描述率相关材料非弹性响应的基本方程，选择材料准静态实验的单轴响应作为强化演化的规律，并考虑应变率敏感程度随变形产生变化的特性，建立了适用于大应变率范围内率相关材料的统一型粘塑性本构模型。对铝１１００－０在应变率范围１０－５～１０４ｓ－１内产生的有限塑性应变的单轴响应进行了理论预测，与Ｋｈａｎ和Ｈｕａｎｇ［１］的实验数据及模型预测结果进行了比较，结果表明本文模型具有较高的预测精度，在高应变率和较大应变下不容忽视率敏感参数随变形的变化。     

高温对砂岩宏细观损伤及BP神经网络单轴强度预测研究

为了研究高温后砂岩的力学特性和宏细观损伤变化,对高温作用后的砂岩进行单轴压缩试验、声波损伤检测、X射线衍射试验、扫描电镜试验,分析应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量、质量损失率、X射线衍射成像和电镜扫描图像,得到砂岩的细观损伤变化对其单轴抗压强度的影响。利用BP神经网络模型对不同物理量进行训练,预测不同高温作用后砂岩单轴抗压强度。研究结果表明:随着温度升高,砂岩峰值应力和弹性模量均降低,峰值应变、质量损失率和体积均增大,砂岩的外观颜色由黄色过渡到棕红色直至呈土灰色;微缺陷(微裂隙和孔洞)的发育明显,晶体结构破坏加剧,内部生成CaO和CO₂,孔隙率、热损伤程度增大,声速减小,强度降低。建立BP神经网络模型,利用文献数据验证模型可行性,模型预测值与试验值最大误差8.25%,可靠度较高。     

单轴荷载下饱水岩石静态和动态抗压强度的细观力学分析

由于单轴荷载下饱水岩石的动态力学特性与静态力学特性存在很大差异,从宏观上进行力学分析 存在局限性。根据岩石受压全应力应变曲线的细观机制,分析了静态及动态单轴荷载条件下孔隙水影响饱水 岩石裂纹扩展的情况。在静态单轴压缩条件下,初始裂隙受压使自由水产生孔隙水压力,自由水对翼裂纹有 向外挤压的应力,促进裂纹扩展。在动态单轴压缩条件下,自由水会产生粘结力,抑制裂纹扩展。根据翼裂纹 受压扩展原理,推导出饱水单轴条件下动态抗压强度、静态抗压强度的计算公式,在相同断裂韧度下,饱水岩 石静态抗压强度风干岩石静态抗压强度饱水岩石动态抗压强度。对自然风干和饱水砂岩进行单轴静态、 动态压缩实验,结果与理论模型的结果相符。     

水岩化学作用对黑色页岩的化学损伤及力学劣化试验研究

为模拟黑色页岩化学风化中酸性水-页岩化学作用过程,本文对其进行氧化条件下的不同pH值H2SO4溶液的非平衡流动态腐蚀性试验,获得了黑色页岩化学腐蚀前后矿物变化、相对质量损失、次生孔隙率、纵波波速变化及微观结构特征的变化。通过单轴压缩试验,获得黑色页岩在不同浸泡时段的变形和强度特性规律,探讨了酸性水对黑色页岩化学作用的化学损伤和力学劣化的腐蚀效应及机制。研究表明,页岩试件在化学腐蚀后,易溶性矿物成分减小,黏土矿物增加,同时矿物胶结变得松散,矿物边缘变得模糊;页岩试件的相对质量损失与次生孔隙率随pH值减小和浸泡时间的增长而增大,而纵波波速则减小;其力学特性有从脆性破坏向延性破坏转化的趋势,单轴抗压强度和弹性模量有随pH值减小和浸泡时间的增长而减小的趋势。基于次生孔隙率,构建化学损伤变量来描述试件化学-力学损伤演化过程。分析酸性水-页岩化学作用的机理主要为:溶解作用、氧化作用、水解作用及离子交换吸附作用。     

Effect of pore concentration on localized plastic deformation in polycrystals

Presented is a mesomechanical model that simulates the behavior of localized plastic deformation in polycrystal subjected to uniaxial load. Edge effect and pore concentration are analyzed. Predicted results between the mechanical properties of polycrystal and pore concentration are inconclusive as porosity alone could not explain the increase or decrease of polycrystal strength. The model applies to low pore concentration of less than 5% and hence coalescence of pores is also neglected.     

Combined grain size, strain rate and loading condition effects on mechanical behavior of nanocrystalline Cu under high strain rates

Molecular dynamics simulations of nanocrys-talline Cu with average grain sizes of 3.1 nm, 6.2 nm, 12.4 nm and 18.6 nm under uniaxial strain and stress tension at strain rates of 10 8 s 1 , 10 9 s 1 and 10 10 s 1 are performed to study the combined grain size, strain rate and loading condition effects on mechanical properties. It is found that the strength of nanocrystalline Cu increases as grain size increases regardless of loading condition. Both the strength and ductility of nanocrystalline Cu increase with strain rate except that there is no monotonic relation between the strength and strain rate for specimens under uniaxial strain loading. Moreover, the strength and ductility of specimens under uniaxial strain loading are lower than those under uniaxial stress loading. The nucleation of voids at grain boundaries and their subsequent growth characterize the failure of specimens under uniaxial strain loading, while grain boundary sliding and necking dominate the failure of specimens under uniaxial stress loading. The rate dependent strength is mainly caused by the dynamic wave effect that limits dislocation motion, while combined twinning and slipping mechanism makes the material more ductile at higher strain rates.     

不同孔隙率及孔径泡沫铝的力学与吸能特性研究

对三种孔径两种孔隙率共六种泡沫铝试件进行了静态压缩试验,发现对于中孔隙率材料,孔隙率对材料力学性能和吸能性能仍有明显影响:孔隙率越大,其吸能能力越强,但是屈服极限越小.孔径对材料吸能能力也有一定影响.同时,试验中还发现,对于孔隙率为55%的材料,当孔径≤1mm时,泡沫铝材料的孔径对其力学性能及吸能性能影响甚小.     

聚氨酯(PU)在力学性能测试中的摩擦效应与变形均匀性研究

作为防弹玻璃夹层材料,PU的动态力学性能一直受到学者们的关注。为准确表征其动态力学性能,本文采用ABAQUS有限元软件对不同摩擦系数下的单轴压缩试验进行数值仿真,分析试样加载端面的摩擦效应和几何尺寸对单轴压缩试验结果的影响;结合高速摄影技术(HSP)与数字图像相关技术(DIC)观测到试样在拉伸试验中的动态变形场和应变场,探讨标距段的应力均衡性;同时对PU材料在不同应变率下的单轴压缩、拉伸力学性能进行测试。结果表明:压缩试样的端面摩擦效应限制横向变形,影响了试样内部的受力分布,使得测量得到的应力值偏大;试样长径比越小,端面摩擦效应的影响越大;在单轴动态拉伸试验中,板状拉伸试样的标距段选取应当考虑两端倒角尺寸。通过测试PU的拉、压力学性能,发现材料具有显著的应变率敏感性。     

超临界CO_2作用后煤微观结构与渗透率变化规律实验研究

在宏观超临界CO_2增透实验基础上进行微观成像实验,提取煤微观孔隙特征,自编Matlab程序,计算孔隙率,得到煤各微区孔隙率和渗透率矩阵,绘制孔隙率和渗透率等值线图。结果表明:增透实验前后煤微观结构差别显著,经超临界CO_2作用后,煤微观孔隙充分发育,孔隙的数量、尺寸明显增加,孔隙率是增透前的9.11倍;随着孔隙压力的增大,煤中粒间孔隙数量增多,孔隙之间的连通性增加,孔隙率呈指数增大的趋势,煤体各微区孔隙率等值线密集程度增加;煤体的渗透率随着孔隙率的增加呈正指数递增的趋势,且随着孔隙压力的增加,渗透率呈指数递增的变化规律,渗透率等值线的密集程度增加,宏微观实验结果是一致的,随着注入超临界CO_2孔隙压力的增加,煤微观孔隙结构的发育程度提高,为煤层气的运移提供更多的通道,有效提高了煤体的渗透性。