冻融环境下红砂岩力学特性试验及损伤分析

将实验研究与损伤力学理论分析相结合,对红砂岩进行饱水状态下的冻融循环试验及不同冻融次数下的力学特性试验,分析了岩石的冻融损伤劣化过程,系统研究了岩石的变形破坏规律及损伤扩展力学特性.研究表明:红砂岩呈现出剥落和断裂的冻融损伤劣化模式;随着冻融次数的增加,岩石的强度及弹性模量急剧降低,并表现出压密性增大、弹性减弱、塑性增强的特征;岩石初始细观结构的缺陷经过损伤的非线性演化,表现出宏观力学性能的劣化.     

片岩损伤裂隙系统生成及裂隙率间接定量表征方法研究

在岩石试验机上对标准片岩试件进行轴向预压,使试件内部微裂隙自由扩展、连通,以模拟工程扰动形成的损伤裂隙系统．采用纵波波速间接定量表征片岩试件的损伤,从而得到含有一定损伤裂隙系统的标准片岩试件,用于研究经受一定损伤作用后岩石的物理、力学等特性．对预压后的试样进行冻融循环试验,并对不同冻融损伤状态下的试件进行超声波测试和单轴压缩。经非线性回归分析发现,纵波波速和单轴抗压强度之间相关性显著．研究方法和成果对于岩石损伤的定量表征和含一定损伤岩石试件的制备具有指导意义．     

酸性与高温环境下花岗岩力学性能试验研究

在各种复杂环境下,冻融循环作用后岩石的力学特性是岩石力学与工程中的一个重要课题.作者用四种不同浓度的硝酸溶液模拟实际工程中的工业废水,用400°高温处理后的岩石模拟实际工程中的高放射性核废料中的岩石.通过花岗岩在0％、1％、3％、5％四种浓度硝酸溶液和一组高温共同作用的冻融腐蚀循环实验,研究了岩石质量、峰值应力和峰值应变随酸性溶液浓度变化的规律,发现岩石在酸性环境下的冻融循环损伤更为严重.基于Rabtnov损伤力学的概念,得出损伤变量D变化曲线,揭示了花岗岩力学性能劣化与溶液浓度的关系,为今后冻融腐蚀循环条件下岩石力学性能的研究提供一定的试验、理论基础.     

冻融环境下混凝土损伤劣化机制的力学试验研究

通过对自然状态以及饱水状态下的混凝土试样分别进行冻融循环试验,并在不同冻融循环次数后对混凝土试样进行单轴压缩强度测定,研究了材料弹性模量、抗压强度、应力应变关系等力学特性的变化规律,以此分析了在冻融环境下混凝土材料的损伤劣化机制。结果表明:混凝土冻融损伤劣化模式具有多样性,随着冻融循环次数的增加,混凝土试样逐渐呈现出颗粒脱落、微裂纹萌生扩展、剥蚀和块落等多种形式相结合的损伤劣化模式;而试样弹性模量及强度明显减小,且强度受水影响非常显著。该研究从试验角度解释了在冻融环境下混凝土力学性能的变化规律,为寒区重大工程冻融灾变预测、防治提供了较可靠的试验与理论依据。     

爆炸应力波在各向同性损伤岩石中的衰减规律研究

通过对一维应力波在Hopkinson压杆之间的试件内的衰减及折反射关系分析 ,导出了衰减率的表达式 ,然后对含损伤的岩石试件进行冲击实验 ,得到了衰减率与初始损伤的关系式 ,从而提供了一种测定衰减率的实验方法。通过应力等效模拟 ,得到了球面与柱面爆炸应力波的衰减规律。     

考虑初始缺陷与弹性模量的岩石变形破坏过程模拟方法

针对扰动作用下岩石存在初始缺陷的特点,通过探讨含初始缺陷岩石变形力学特征,根据含初始缺陷岩石弹性模量的变化情况,建立了初始损伤的确定方法。然后,引入几何损伤理论,通过分析三轴压缩条件下岩石损伤演化规律,建立了含初始缺陷岩石损伤模型,进而建立了考虑初始缺陷与弹性模量的岩石统计损伤本构模型,并给出了参数的确定方法。最后,通过砂岩三轴压缩试验资料分析得出:本文理论模型能够反映不同围压作用下含初始缺陷岩石的变形破坏全过程,与试验曲线较为接近;且常见损伤模型是本文理论模型的特例,表明本文模型和方法具有一定的合理性与可行性。     

水分及冻融循环对红砂岩物理力学特性的影响

将干燥红砂岩进行饱水及开放系统下的冻融循环实验,并对干燥、饱水及经历一定冻融次数后的试样进行单轴压缩实验,系统地研究了红砂岩的遇水软化性及冻融损伤劣化特性,分析了岩石的弹性模量、强度、应力-应变关系的变化规律。结果表明：在水分的作用下,红砂岩的弹性模量及强度显著降低,且强度受水分影响引起的损伤较弹性模量大;水分及软弱结构面的存在促进了岩石的冻融损伤劣化,并伴随着岩石延脆性性质的改变,最终在冻融循环的作用下完全崩解;在寒区岩体工程设计和施工过程中,必须考虑水分和温度对工程稳定性的影响,采取加强防排水及隔热保温技术等综合防治措施减少冻融灾害。     

基于统计损伤的岩爆预测

基于岩石单轴抗压强度的分布特征,对脆性岩石采用统计损伤的平行杆模型模拟,经岩石全过程曲线拟合,表明了 模型的合理性。进而提出采用平行杆模型模拟地下深埋洞室脆性围岩,推出了不同应力条件下岩体损伤的表达式,从统计损 伤的概念上,利用损伤变量来表征岩爆发生概率。工程实例分析表明该预测方法是有效的。     

冲击载荷下岩石的损伤特性分析

把岩石类脆性材料受冲击波加载造成的损伤与弹性纵波速度的变化联系起来，定义了损伤度Ｄ，并且以辉长岩（Ｇａｂｂｒｏ）和石灰岩（Ｌｉｒｎｅｓｔｏｎｅ）为例，测量了冲击波加载后靶体的损伤度分布。同时对冲击加载后含损伤的辉长岩，测量了一维准静压下弹性纵波速度的变化和抗压强度，分析了含损伤材料的静力学行为。     

三轴压缩岩石细观损伤扩展特性CT实时检测

利用作者最新研制的与CT（computerized tomography)机配套的专用加载设备,完成了三轴压缩荷载作用下岩石破坏全过程的细观损伤扩展规律的实时CT检测试验。得到了在不同荷载作用下岩石中微孔洞被压密、微裂纹萌生、分叉、发展、断裂、破坏、卸载等各个阶段清晰的CT图像。对得到的CT数、CT图像等数据进行了分析,引入了初始损伤影响因子和闭合影响系数,定义了一个基于CT数的损伤变量,基于岩石细观损伤演化CT试验的结果,给出了岩石应力损伤门槛值,将岩石应力应变全过程曲线分为5段,得到了岩石损伤扩展的初步规律。     

疲劳损伤伤演方程中材料常数的确定

损伤力学作为近年来固体力学的一个非常活跃的分支,其本构关系和损伤演化方程是核心内容。损伤演化方程中材料常数的确定,是损伤力学中最基本却很重要的工作。利用大范围损伤下的预估拉压和弯曲疲劳裂纹形成寿命的封闭解答,应用最小二乘法给出了确定损伤演化方程dD/dN=α(Δε)m中材料常数α、m的方法。该方法可作为确定这种类型损伤演化方程材料常数的一般方法。     

Damage induced structural instability

Multiaxial stress-strain damage relations, describing both time-independent and time-dependent strain and damage creation are postulated. The influence of damage creation on the load carrying capacity of simple structures is discussed. The time-independent deformation, and loss of stability, of a thick-walled cylinder under torque and internal pressure are analysed. The results are shown to be similar to previously found results for a beam under tension and bending.     

Young-Measure Quasi-Static Damage Evolution

An existence result for the quasi-static evolution of incomplete damage in elastic materials is presented. The absence of gradient terms in the damage variable causes a critical lack of compactness. Therefore, the analysis is developed in the framework of Young measures, where a notion of solution is defined, presenting some improvements with respect to previous contributions. The main new feature in the proof of the existence result regards a delicate construction of the joint-recovery sequence.     

Damage theory for polymeric material

lEffectsofExternalEnvironmentonDeformationofPolarersUnderthemal-condition(suchascorrosionmedium,radiationandnon-consistentmaterials),theinnerstlajctureandmechanicalpropertiesofpolymerswillchangesuchastheti.actureofmacromolecularchainsIcrackpropagation.Wecalledtheseasdamageinmaterial.Weintroducedamageparameterintocontinuousmediummodel.1.1Thedamageevolutioninthedifferentialformm=di(Jij',di)',Eij,gi]',oo,t,T,S),(1)Orco=f,(ai).)An(W)f3(to),(2)inwhichail'andEi)'arethestresstensorandthestraint…     

Threshold-based Quasi-static Brittle Damage Evolution

We introduce models for static and quasi-static damage in elastic materials, based on a strain threshold, and then investigate the relationship between these threshold models and the energy-based models introduced in Francfort and Marigo (Eur J Mech A Solids 12:149–189, 1993) and Francfort and Garroni (Ration Mech Anal 182(1):125–152, 2006). A somewhat surprising result is that, while classical solutions for the energy models are also threshold solutions, this is shown not to be the case for nonclassical solutions, that is, solutions with microstructure. A new and arguably more physical definition of solutions with microstructure for the energy-based model is then given, in which the energy minimality property is satisfied by sequences of sets that generate the effective elastic tensors, rather than by the tensors themselves. We prove existence for this energy-based problem, and show that these solutions are also threshold solutions. A by-product of this analysis is that all local minimizers, in both the classical setting and for the new microstructure definition, are also global minimizers.     

Fatigue Damage in Composite Materials

The phenomenon of fatigue is critical for designing structures including elements made of composite materials. The accurate prediction of the life and fatigue resistance of laminated composites is one of the subjects of inquiry in materials science. The ability of predicting the life of laminates is important for designing, operation, and safety analysis of a composite structure under specific conditions. To predict reliably the life of structures, it is necessary to know the mechanisms of cyclic deformation and damage. It is also necessary to develop a qualitative theory of fatigue failure that should be based on the concepts of solids mechanics. Developing such a theory requires to evaluate the microscopic parameters and the macroscopic variables of the material at the level of a laminate and the structure and to determine exactly the load modes acting on the system.     

疲劳损伤临界值分析

通过对疲劳过程和疲劳失效的临界状态的分析，提出疲劳失效判据应与损伤程度和应力水平两个因素有关，并在试验的基础上建立了一个剩余强度退化的对数模型。根据疲劳过程中材料强度退化的事实及其规律。分析了损伤临界值与循环应力水平之间的关系，给出了一般应力水平下疲劳损伤临界值的范围，对于随机疲劳问题，给出了损伤临界值的分布规律。     

Free Damage Propagation with Memory

We introduce a simple model for free damage propagation based on non-local potentials. The model is developed using a state based peridynamic formulation. The resulting evolution is shown to be well posed. At each instant of the evolution we identify the damage set. On this set the local strain has exceeded critical values either for tensile or hydrostatic strain and damage has occurred. For this model the damage set is nondecreasing with time and associated with damage variables defined at each point in the body. We show that energy balance holds for this evolution. For differentiable displacements away from the damage set we show that the nonlocal model converges to the linear elastic model.     

腐蚀损伤模型研究进展

腐蚀会导致材料表面附近产生机械损伤，降低材料强度。腐蚀损伤演化过程的理解和模拟，对工程结构的剩余服役寿命预测、可靠性分析、以及材料耐腐蚀设计等至关重要。现有的腐蚀数学模型大多旨在描述单个或少数几个腐蚀点的界面演化过程。这些模型通常都基于扩散理论和电化学动力学定律，用于预测腐蚀点的几何形状演化和溶液中离子的浓度分布演化。本文简述了腐蚀的电化学动力学基础，为力学工作者参与腐蚀损伤研究提供了简要的背景知识介绍。对目前发展比较完善的点腐蚀模型进行了总结分类。重点介绍了近十年来几种主要的新型腐蚀模拟方法：元胞自动机法、相场模型和近场动力学模型。并分析了各方法的优缺点。提出了电偶腐蚀和应力腐蚀开裂模型分析中亟待解决的一些问题。最后，论文总结了腐蚀模拟在实际工程应用中的难点，展望了未来研究发展方向。