基于塑性体积应变的岩石损伤变形特性实验研究

为分析岩石塑性变形与损伤的关系,在定义岩石的初始损伤和临界损伤,提出塑性体积应变分析方法,从而以塑性体积应变为损伤变量,采用归一化方法建立岩石的损伤本构模型。采用递增循环加载实验确定岩石损伤本构模型中的弹性卸载模量和弹性应变比例系数两个参数。通过实验和理论分析得出:当荷载较小时,普通单轴压缩状态下岩石损伤随荷载的增加具有减小趋势,荷载超过一定数值后,岩石损伤才开始增加;单轴递增循环压缩状态下当循环荷载大于约35%峰值强度后,卸载后岩石的损伤具有增加的趋势,小于该荷载之前具有减小的趋势。整个加载过程的理论应力-应变曲线能很好地与实验结果相吻合,在循环加载区间理论结果还能体现出岩石实验结果中的回滞环。     

一维应力预加载下红砂岩冲击力学特性试验研究

为研究高地应力下再受动力扰动的岩石力学特性,利用改进的岩石动静组合加载SHPB试验装置,对红砂岩进行一维预应力状态下岩石的冲击力学特性试验。选取4个轴压水平,进行不同应变率下的动加载试验。研究结果表明:不同应变率下,岩样在破坏阶段出现"峰后塑性"、"应力跌落"、"应变回弹"三种类型,岩样的割线模量随轴压的增大先增大后减小;相同轴压下,岩样的动态抗压强度和单位体积吸收能随着应变率的增大而增大,分别呈现出指数函数关系和线性关系;相同应变率下,岩样的动态抗压强度和单位体积吸收能随着轴压的增大呈先增大后减小的趋势;无轴压条件下,岩样为拉伸破坏模式,有轴压条件下,岩样为剪切破坏模式。     

超高强度钢AF1410塑性流动特性及其本构关系

在本文中,为揭示超高强度钢AF1410的塑性流动性,并研究其塑性流动本构关系,利用CSS4410电子万能试验机和改进的Hopkinson拉压杆技术,对AF1410钢在温度从100K到600K,应变率从0.001/s到2000/s,塑性应变超过20%的塑性流动特性进行了试验研究。结果表明,拉伸加载下AF1410钢屈服强度低于压缩屈服强度,且随应变率增加,拉压屈服强度差值越来越大;该材料塑性流动应力对应变率敏感性低,而对温度较为敏感;随应变率的提高,该材料拉伸失效应变减小,但温度对失效应变无明显影响。最后基于位错的运动学关系,借助试验数据,获得了AF1410钢的塑性流动物理概念本构模型,并通过与经典J-C模型的结果对比对该物理概念本构模型进行了评估分析,表明该物理概念本构模型在较宽温度和应变率范围能较好的预测AF1410钢的塑性流动应力。     

多胞材料的动态应力应变状态及其一致近似关系

多胞材料在高速冲击下呈现出逐层压溃的变形模式，塑性冲击波模型可以用来表征这种集中变形带的传播行为。本文中采用截面应力计算方法得到了随机蜂窝在恒速冲击下的一维应力分布，进而对冲击波的传播规律进行了分析。比较了高速冲击下由不同方法得到的冲击波速度与冲击速度的关系，结果表明R-PP-L（率无关，刚性-理想塑性-锁定）模型高估了冲击波速度，但R-PH（率无关，刚性-塑性硬化）模型以及一维冲击波理论得到的冲击波速度与有限元结果比较接近。冲击波速度与冲击速度在高速情形下趋于线性关系，但随着冲击速度的减小，冲击波速度不断减少并趋于常数。根据这一特征和塑性冲击波模型，发展了可以表征冲击波速度与冲击速度的关系、动态应力应变关系的一致近似模型。     

混凝土类材料动态压缩强度在多维应力状态下的应变率效应

对混凝土类材料动态压缩应变率效应研究的发展及问题进行了概述,对比不同应力状态下混凝土类材料动态压缩应变率效应的表现特征,揭示了不同加载路径下实测动态强度提高系数的显著差异。研究表明,在高应变率下,基于初始一维应力加载路径的试件将因横向惯性效应导致的侧向围压而演化至多维应力状态,传统霍普金森杆技术无法获得高应变率下基于真实一维应力路径的动态强度提高系数,在强度模型中直接应用实测数据将过高估计材料的动态强度。鉴于应变率效应的加载路径依赖性,将仅包含应变率的强度提高系数模型扩展至同时计及应变率和应力状态的多维应力状态模型,并结合Drucker-Prager准则在强度模型中给予了实现。针对具有自由和约束边界试件开展的数值霍普金森杆实验表明,多维应力状态下的应变率效应模型可以考虑应变率效应随应力状态改变的特点,从而准确预测该类材料的动态压缩强度。研究结果可为正确应用霍普金森杆技术确定脆性材料的动态压缩强度提供参考。     

泡沫金属的微惯性效应和动态塑性泊松比

采用三维Voronoi技术和显式有限元方法来研究闭孔和开孔两种泡沫金属的动态塑性泊松比问题和微惯性效应。细观数值模拟的结果表明:塑性泊松比随着轴向应变的增加而下降,塑性泊松比的峰值随着冲击速度的增加而下降;相对密度增加时,泡沫金属塑性泊松比增加;微惯性对平台应力的影响不大。该数值模拟结果能够解释侧向约束情况下闭孔泡沫金属的压溃应力随着加载速率的提高而下降的实验现象。     

不同拉压特性的双层厚壁圆筒极限承载力解答

采用统一强度理论并考虑材料拉伸与压缩弹性模量的差异性，建立均匀内压作用下双层厚壁圆筒的应力表达式，获得了其内压相应的弹性极限解答、塑性极限解答，并分析拉压强度比、拉压模量系数、统一强度理论参数、半径比及分层半径对弹性、塑性极限内压的影响规律．研究结果表明：弹性、塑性极限内压随拉压强度比的增加而减小，但随统一强度理论参数、半径比的增加而增大；弹性极限内压随分层半径的增加呈现先增大后减小变化，随拉压模量系数的增加而一直减小；塑性极限内压与拉压模量系数、分层半径无关．应用于实际工程时，可根据所得结果选择合理的壁厚及分层半径，再根据材料特性确定其他参数，以便更加准确地计算结构的受力状况．     

侧向稀疏对PZT—95／5陶瓷冲击去极化影响的研究

采用平面冲击波加载，对样品在不同封装介绍（不同侧向稀疏程度的情况下）和几何尺寸条件下进行冲击去极化实验，结果表明侧向稀疏导致电荷释放以近乎线性关系减小；根据实验条件拟合出物理计算模型，利用流体弹塑性模型，采用有限元计算方法对样品中的冲击压力进行三维计算，计算结果能很好地解释实验现象。     

冲击载荷下脆性空心颗粒破碎机理

为考察脆性空心颗粒在冲击载荷作用下的应变率效应和破碎行为的细观机理,以粉煤灰漂珠为研究对象,基于低速冲击实验和有限元数值模拟,对比了典型空心颗粒材料在不同加载速率下的力学响应特性和细观压溃行为,阐释了材料宏观应变率效应产生的细观机理,获得以下结果。（1）在0.001～300 s?1应变率范围,漂珠颗粒的破碎率和Hardin破碎势平均提升了约21%和10%～30%,材料比吸能提升了50%～125%,比吸能的额外增加主要与动态颗粒滑移产生的摩擦耗能相关。颗粒平均尺寸较大的试样体现出更强的应变率效应。（2）初始压溃阶段的应力应变响应特征的数值模拟结果与实验结果较吻合,低速冲击下动态二次压溃现象产生的细观机理为动态颗粒滑移和压紧行为对加载速率的依赖性。(3) 数值模拟表明,冲击加载下产生相同应变时颗粒的损伤程度和范围大于准静态加载,这与实验所得破碎势随应变率增加的结果一致。对比低速冲击实验的相对破碎势分析和细观数值模拟结果可知,脆性颗粒堆积材料在动态冲击下表现出的宏观应变率效应主要归因于颗粒压溃行为的率敏感性和动态加载下颗粒破碎能量利用率的降低。     

棘轮安定曲线在不锈钢压力容器应变强化技术中的应用

应变强化是不锈钢压力容器结构实现轻型化的重要途径,而应变强化内压的确定则是应变强化技术的核心。为了能够更准确有效地达到结构应变强化的目的,对循环加载的应变强化方式进行了研究。通过304不锈钢材料的室温单轴棘轮试验,建立了应力比R0条件下的棘轮安定曲线。根据Mises等效原理,利用该曲线通过一次弹塑性有限元分析直接获得结构在循环载荷作用下的强化内压和产生的塑性应变,与试验结果吻合较好,说明运用循环加载的应变强化方式可以有效地达到应变强化的目的。在达到相同的应变强化程度要求下,该方法降低了强化内压,因此可以减小过载加压的风险。     

A continuum model for intermittent deformation of single crystal micropillars

Strain bursts are often observed during compression tests of single crystal micropillars. In this work, we formulate a new continuum model that accounts for the strain bursts within the framework of crystal plasticity. The strain bursts are separated from the loading stage (nearly elastic loading) by introducing a dimensionless constant in the continuum model, and are detected by load serrations. The boundary conditions in the context of micropillar compression are studied and they are shown to be changing and unpredictable as plastic deformation proceeds. To evaluate the validity of our model, finite element simulations of the uniaxial compression tests on nickel micropillars are performed. Our simulations produce clearly visible strain bursts during the plastic flow and the produced intermittent flows are comparable with the experimental observations. For the bulk crystal, a series of strain bursts is identified in the course of plastic flow, despite an apparently smooth stress–strain response. We also show that the intermittent flow is intensified in the micrometer-scale due to both increasing numbers of the successive strain bursts and increasing amplitude of the strain burst, when the specimen size decreases. Finally, we show that the occurrences of the strain bursts are always associated with negative values of the second-order work.     

圆板状岩样破坏过程中的渗透特性实验研究

利用一种自行设计的附加渗透试验装置,在MTS815.02岩石力学伺服试验系统上完成了圆板状岩样破坏过程中的渗透特性试验,得到了圆板状岩样渗透率、渗透压差、渗流速度与轴向荷载的关系,并对试验结果进行了分析和讨论。研究表明:1)岩样在渗透的同时发生弯曲变形,岩样的渗透率与其受力状态密切相关,当达到峰值载荷时,渗透率急剧增大,由此验证了突水是伴随着结构破坏的渗流失稳过程;2)岩样在破坏过程中,当轴向载荷达到峰值时,岩样两端压力差急剧减小;3)岩样两端压力差保持0.2MPa,轴向荷载达到峰值时,增压器活塞位移急剧增大,即渗流速度突然变大;4)冲剪破坏为圆板状岩样的主要破坏形式。     

An experimental study of inhomogeneous cyclic plastic deformation of 1045 steel under multiaxial cyclic loading

An experimental study was conducted on the inhomogeneous cyclic plastic deformation of 1045 steel under multiaxial cyclic loading. Thin-walled tubular specimens were used and small strain gages were bonded on the specimen surface to characterize the local deformation. The controlled loading paths included cyclic tension–compression, cyclic torsion, proportional axial-torsion, 90°-out-of-phase axial-torsion, and fully reversed torsion with a constant axial stress. The maximum stress in each experiment was lower than the lower yield stress of the material. It was found that the cyclic plastic deformation within the gage section of the specimen under multiaxial stress state followed the three-stage process that was observed from uniaxial loading, namely, incubation, propagation, and saturation. The plastic deformation was significantly inhomogeneous during the propagation stage, and the inhomogeneity continued through the saturation stage. The duration of each stage and the saturated strains were dependent on the cyclic stress amplitude and the loading path. Multiaxial stress state reduced the incubation stage. With identical equivalent stress magnitude, the nonproportional loading path resulted in the shortest incubation and propagation stages, and the saturated equivalent plastic strain magnitude was the smallest. Although the deformation over the gage section was inhomogeneous, the plastic deformation in a given local area was found to be practically isotropic.     

周期荷载作用下煤岩声发射特征的颗粒流模拟

为研究周期荷载应力水平对煤样声发射特征的影响,采用PFC数值软件开展了3种不同应力水平的等幅周期荷载数值模拟试验,分析了周期荷载应力水平对煤样破坏循环次数、声发射计数及损伤演化特征的影响。研究结果表明:周期荷载作用下,煤样破坏过程中的声发射活动呈现初始、相对平静和活跃三阶段演化规律,且在煤样破坏前的周期荷载卸载阶段及低应力水平阶段几乎没有声发射活动;周期荷载上限应力水平的微小提高会加快煤样的破坏过程。提出了声发射比率的概念,当声发射比率大于1时,表明煤样即将发生破坏。声发射比率可作为预测现场工程煤体失稳的重要指标。     

304不锈钢室温和高温单轴循环塑性的实验研究

对304不锈钢进行了室温和高温单轴应变控制和应力控制下的系统循环试验。揭示和分析了循环应变幅值、平均应变及其历史和温度历史对材料应变循环特性的影响以及应力幅值、平均应力及其历史以及温度对循环棘轮行为的影响。也讨论了应变循环和应力循环间交互作用对材料循环塑性行为的影响。研究表明,无益单轴应变循环特性还是非对称单轴应力循环下的棘轮效应不仅取决于当前温度和加载状态,而且强烈依赖于其加载历史。研究得到了一些有助于304不锈钢室温和高温单轴循环行为本构描述的结果。     

Several contributions to soil compactibility induced by cyclic loading test

To investigate the soil compactibility during the cyclic loading, three different kinds of paddy field soils were prepared so as to clarify interrelationships among stress amplitude ratio, bulk density, soil water content and pore water pressure. The presetting values of specimen include the soil water content(percent dry basis) and bulk density of 25% d.b. and 1.1 Mg/m³ respectively. The relation between the number of cyclic loading and axial strain exhibited an asymptotically increasing trend, converging toward a specific value for each experimental condition. Possible effect caused by elastic–plastic characteristics could be recognized, when axial strain for 0.5 Hz excitation becomes greater than the one of 1.0 Hz under same stress amplitude ratio. When the stress amplitude ratio took 0.1, the absolute value of axial strain of 0.5 Hz was greater than the one of 1.0 Hz, whereas its decreasing trend was recognized in the sequence of silt, clay and silty sand. The qualitative relations between pore water pressure and number of cyclic loading were also examined to scrutinize the effect of effective water pressure to the soil compactibility.     

Propagation of Quasiacoustic Pulses in an Elastoplastic Medium

Expressions for the velocity of a plastic shock wave and phase velocity of longitudinal waves in an elastoplastic medium with hardening are obtained in a quasiacoustic approximation. An analytical solution of the problem of shockpulse attenuation is constructed. A special feature of the amplitude of the attenuating plastic shock wave is that it reaches the amplitude of the elastic precursor in a finite time, whereas in hydrodynamics, the amplitude of a quasiacoustic shock pulse tends to zero asymptotically.     

激光冲击下CoCrFeMnNi高熵合金微观塑性变形的分子动力学模拟

激光冲击强化技术可以有效地提高材料的疲劳寿命, 被广泛应用于航空航天领域. CoCrFeMnNi高熵合金作为一种经典的高熵合金体系, 研究其激光冲击强化后的微观组织变化以及冲击动态响应对该材料未来在航空航天领域中的应用具有重要意义. 采用分子动力学方法, 对CoCrFeMnNi高熵合金进行了冲击模拟, 发现冲击时弹、塑性双波分离现象以及微结构演化具有明显的取向相关性. 沿[100]方向进行冲击时未出现双波分离结构, 并且塑性变形过程中会产生中间相; 而沿[110]与[111]方向冲击时产生了双波分离结构, 并且受冲击区域存在大量的层错以及无序结构, 高位错密度是产生无序结构的重要原因. 双波分离现象与可开动滑移系个数有关, 而沿不同取向冲击时的Hugoniot弹性极限和发生塑性变形的临界冲击速度与其可开动滑移系的Schmid因子大小有关. 此外, 冲击诱导了梯度位错结构的产生, 位错密度沿冲击深度先增加后减小, 在沿原子密排方向冲击时产生了更高的位错密度. 冲击之后在模型两侧存在残余压应力, 芯部为残余拉应力, 残余应力的大小具有明显的取向相关性. 最后, 与具有相同尺寸及取向的纯Ni进行对比, 发现CoCrFeMnNi高熵合金在冲击过程中由于晶格畸变效应产生了较纯Ni更多的无序结构.