脆性材料中应力波衰减规律与层裂实验设计的数值模拟

对混凝土、岩石类脆性材料的层裂实验进行了有限元模拟,研究了应力波在此类材料中传播的衰减规律,包括两类机制:弹性波因大尺寸试样的几何弥散产生的小幅度线性衰减、与应变率相关的黏塑性波因本构关系导致的指数衰减。在此基础上,提出了包含常数项的指数型应力波峰值拟合公式。建议采用可以忽略应力波衰减影响的细长形试样进行层裂实验。混凝土类脆性材料层裂破坏模拟结果显示,有限元模拟得到的层裂片厚度与一维应力波理论得到的结果非常吻合,验证了按一维应力波理论确定层裂强度的实验方法的有效性。通过对比3种不同入射波形下层裂片的形状和净拉应力波形,发现不对称的入射波形状更有利于实验获得平直的层裂断面和较准确的层裂强度。     

煤体中爆炸应力波传播与衰减规律模拟实验研究

在岩石爆破理论的基础上分析了煤体中爆炸应力波的作用机理,借助损伤力学理论探讨了煤体在 爆炸应力波作用下的损伤断裂准则。煤体中爆炸应力波传播与衰减规律模拟实验结果表明:煤体中爆炸应力 波一般包含2段波形,第1段由压缩相和拉伸相组成简单波形,第2段是由多种作用形成的复杂波形;爆炸应 力波作用下,煤体首先承受压应力,而后承受拉应力,且压缩相的作用时间较拉伸相作用时间短;煤体中爆炸 应力波的衰减速度较一般岩体中的快,实验条件下应力波衰减因数符合=3-/(1-),爆炸应力波的主要 作用是在煤体中形成少量新裂隙、激活煤体中原生裂隙并打破煤体中瓦斯气体的平衡状态。     

应力波在多层膜状材料中衰减特性的实验研究

脉冲载荷作用下,多层膜状材料衰减应力波的特性及其规律研究在工程结构设计中具有重要意义。本文采用分离式Hopkinson压杆(以下简称SHPB)装置,从实验角度对多层石英布和多层"石英布+聚酯铝膜"两种不同结构类型膜状材料衰减应力波特性进行研究。分析了透射应力波及应力冲量随多层膜状厚度变化的关系。通过对实验数据的拟合,给出了多层膜状衰减应力波能力和材料厚度以及材料结构的数学表征。研究结果表明,两种不同结构的多层膜状材料应力波衰减随厚度的变化关系都遵循指数衰减规律,而具有"多层石英布+聚酯铝膜"叠层结构的材料对应力波的衰减能力略强于单一多层石英布材料。本研究可作为工程应用多层膜状材料衰减应力波的实验依据。     

温度影响下基于应力波的钛合金试件疲劳裂纹监测实验研究

本文对温度影响下应用应力波监测钛合金CT试件中的疲劳裂纹进行了研究。建立了由MTS材料试验机和温控箱组成的实验装置,模拟温度变化对应力波在钛合金试件中传播的影响。采用PZT压电元件分别在试件中激励和接收应力波信号。通过连续小波分析,提取应力波信号的多种特征用于表征疲劳裂纹的发生与发展,并对信号特征进行了统计分析。为在温度变化下监测钛合金试件中的疲劳裂纹,对信号特征进行多元偏值分析,采用马氏平方距离融合多个信号特征,在概率统计意义下确定钛合金试件中是否存在疲劳裂纹。实验结果表明了所提出方法的可行性和有效性。     

SHPB实验中粘弹性试件内部应力波的传播

建立描述SHPB实验中线性粘弹性试件内部应力波传播的控制方程组,根据试件两端与入射杆及透射杆接触的应力波特征关系给出耦合边界条件.对方程组和定解条件进行Laplace变换,求得试件内部应力在变换域像函数的表达式.采用数值反变换技术进行反Laplace变换,获得试件两端的应力时程曲线.对现有的固定Tal-bot反变换算法进行改进:将入射波像函数分解为基本部分和延迟部分,利用固定Talbot算法对基本部分入射波作用下的波动问题求解,其他部分的解通过延迟定理得到,最终解为两部分的叠加.采用这种改进算法得到的不同入射波下粘弹性试件的内部应力解与传统的基于特征线数值模拟方法的结果吻合.在此基础上探讨了粘弹性试件的几何参数和材料本构参数对透射波波形的影响.     

陶瓷材料SHPB实验的改进垫块法

高强度陶瓷材料SHPB实验中,利用圆柱或圆台形垫块可避免压杆的端面塑性变形,但存在陶瓷试件中轴向的应力不均匀现象,从而影响实验结果的有效性。本文通过数值模拟分析了两种垫块方式引起的试件中轴向应力分布的特点,并以此为基础提出了一种更为合理的垫块方法。利用商业软件LS-DYNA,数值模拟了改进垫块方法的陶瓷材料SHPB实验。结果显示,基本上消除了陶瓷试件中轴向应力不均匀现象。应用一维应力波理论,分析了实验中的波传播过程,得到了对实验数据的修正处理方法,并证明了所提的修正方法是可行有效的。     

混凝土材料冲击压缩试验中的一些问题

本文简要介绍了在大直径（φ74mm)直锥变截面式SHPB实验装置上进行混凝土试件冲击压缩实验方法。以及实验过程中出现的试件应力均匀性问题，对于由方波加载造成的试件内应力波反射次数不够，导致应力分布不均匀的问题，我们提出了波形整形的思想。将矩形波改造成三角波，增加试件破坏前的应力作用时间以获得应力均匀;对于由杆与试件接触不平引起的应力分布不均。我们设计了万向头加以消除，在此基础上进行了一系列试验并得出了一些结论。     

基于太赫兹光谱的平面应力测量方法

本文提出了一种基于太赫兹光谱技术的平面应力状态测量方法。该方法在传统的太赫兹时域光谱系统中引入起偏镜和检偏镜,实现了对太赫兹脉冲偏振态的调控。针对该实验系统,建立了试件所受应力与穿透试件的太赫兹波相位延迟之间的定量关系,并提出了根据实验所测太赫兹波相位延迟计算平面应力状态三个应力参量的数据处理方法。将该方法得到的实验结果和应变仪测量的结果作对比,发现两种方法有很好的一致性,证明此实验方法合理可靠。     

应力波实时实验技术的若干问题

本文采用自动数据采集及FFT技术研究应力波的弥散与衰减特性。用铝杆的应力波实验结果与理论解的比较,验证所掌握方法的可靠性。通过实验工作,对应力波实验技术及数据处理中的若干问题作了探讨。     

混凝土断裂过程及尺寸效应分析

为研究混凝土裂纹断裂过程和最大承载力计算方法,通过实验机对四种不同尺寸混凝土紧凑拉伸断裂试件进行了加载过程实验,并对其中一个试件进行应变片跟踪测试.由实验结果分析得到了一系列关系曲线,如试件的载荷-加载点位移关系曲线,断裂损伤区变形随载荷变化曲线;并且计算了不同尺寸断裂试件的应力强度因子.结合计算粘聚裂纹应力强度因子的公式与断裂准则,完成了对承载力理论值的计算,并将其与实验峰值平均值进行对比,其结果是两者相比误差较小,表明此种计算裂纹结构最大承载力方法是可行的.     

正交各向异性含液饱和多孔介质中应力波的传播

基于Biot的孔隙介质理论，研究了正交各向异性含液饱和多孔介质中应力波的传播特性．本文引入动态渗透率，导出了整个实频域内应力波传播的复特征方程及其解析解，给出了各种应力波成分的波速和衰减的解析表达武，计算了频散曲线和衰减曲线，并讨论了各类应力波之间的耦合关系及介质的各向异性对应力波传播的影响．     

平板撞击下C30混凝土中冲击波的传播特性

采用1级气炮加载技术和锰铜应力计多点测试技术,开展了C30混凝土在平板撞击条件下的冲击压缩实验研究。基于锰铜应力计实测的应力波形,研究了混凝土中冲击波的传播特性,结果显示冲击波的应力峰值随传播距离呈现明显的衰减特性,衰减过程可分为2个阶段。在早期阶段,卸载波没有赶上前面传播的冲击波,冲击波应力峰值衰减较慢,主要是混凝土材料的本构粘性效应所引起的;而后期阶段应力峰值的快速衰减则归因于混凝土材料的本构粘性效应、后续的来自飞片自由面的反射波追赶卸载、边侧稀疏波卸载及波传播的几何弥散效应的共同作用;另外,冲击波在混凝土中传播的升时也随着传播距离逐渐增大,即由强间断波逐渐转化为弱间断波。     

基于ZWT方程的线黏弹性球面波分析

针对时间尺度为1~100 s的爆炸冲击加载,忽略低频Maxwell体的松弛效应,同时为简化分析,忽略非线性弹簧效应项,推导了三维应力状态下的线黏弹性ZWT本构关系。基于球面波的基本动力学方程,结合ZWT线黏弹性本构关系,得到了以位移u表征的三阶波动方程。利用该方程分析固体介质中线黏弹性球面波传播过程中的吸收和弥散现象,得知:高频球面波的衰减因子趋于常数,相速趋于高频下的纵波速度;低频球面波的衰减因子和圆频率的平方成正比,其相速趋于低频下的纵波速度;低频球面波的纵波波速低于高频球面波的纵波波速,两者的比值和介质的泊松比、弹性模量及Maxwell体弹性模量相关。     

混凝土中爆炸应力波衰减规律的数值模拟研究

基于Kong-Fang混凝土材料模型和LS-DYNA的多物质ALE算法,开展混凝土中爆炸波衰减规律的数值模拟研究。首先,基于已有实验数据对材料模型参数和数值算法的可靠性进行了验证,在此基础上分析球形装药在混凝土自由场中爆炸波衰减规律,利用量纲分析和数值模拟拟合了球形装药在混凝土自由场中近区爆炸波峰值应力计算公式并明确其适用范围;然后,分析装药埋深对混凝土中装药正下方不同距离处爆炸波峰值应力分布的影响,建立了耦合系数与装药埋深和测点距离之间的定量关系。结果表明:Kong-Fang混凝土材料模型可实现对混凝土中爆炸波传播衰减规律的高精度数值模拟;定义混凝土中装药质量系数和耦合常数,可定量描述装药埋深和测点距离对峰值应力耦合系数的影响;建立的混凝土中近区爆炸波峰值应力计算公式可较准确地快速预测不同装药埋深、不同测点距离和不同混凝土强度时爆炸波峰值应力。研究结果可为混凝土结构抗爆设计和爆炸毁伤评估提供参考。     

饱和黏弹性多孔介质中的平面波及能量耗散

研究了流体饱和不可压黏弹性多孔介质中的非均匀平面波及其能量流和能量耗散规律. 在流 相和固相物质微观不可压、固相骨架宏观服从积分型本构关系和小变形的假定下，利用 Helmholtz分解，得到了饱和黏弹性多孔介质中非均匀平面波的一般解以及纵波、横波相速 度和衰减率等的解析表达式，分析了平面波传播矢量和衰减矢量之间的关系. 数值结果表明 孔隙流体与固相骨架间的相互作用以及固相骨架的黏性对波的相速度、衰减率等有着显著的 影响. 同时，得到了饱和黏弹性多孔介质的能量方程，给出了能量流矢量和能量耗散率. 对 非均匀平面纵波和横波，推导了平均能量流矢量和平均能量耗散率的解析表达式.     

缺陷岩体中弹性波传播的多次散射效应分析

弹性波在岩体中传播时与岩体缺陷相互作用形成复杂的传播图案。为研究缺陷对弹性波多次散射作用的影响,建立了双椭圆缺陷模型,基于Green函数基本解,采用边界积分的计算方法,得到了反映缺陷界面条件的刚度矩阵,分析了弹性波在双椭圆缺陷间的多次散射效应。结果表明：与单椭圆缺陷模型相比,双缺陷的相互作用使得弹性波频散和衰减效应增强,定量给出了缺陷的影响区域,从而明确了多次散射效应的尺度界限。进一步探讨了弹性波传播的多尺度效应,结果表明频散的Rayleigh峰、Mie峰和衰减的峰值频率同椭圆长轴和入射波波长两个尺度密切相关,存在明确的定量关系。相应的数值模拟结果表明,弹性波和缺陷相互作用在缺陷界面上诱发界面波,该界面波也存在频率相关性,影响了弹性波宏观传播的频散和衰减特征。     

初应力下压电半导体板中SH波的传播特性

针对无限大n-型压电半导体板,论文理论研究了其在初应力作用下水平剪切波的传播特性。基于压电半导体三维宏观理论和边界条件得到色散关系,结合数值算例,系统分析了边界条件、初始载流子浓度、板的厚度和初应力大小对SH波传播特性的影响。此外,讨论了初应力下两种不同材料中的SH波传播。研究显示：较小的初应力对相速度影响很小可忽略,当初应力达到一定值时波速急剧下降;类似地,初应力足够大时衰减才会逐渐加强。计算结果对压电半导体器件设计具有一定的理论指导意义。