不同应变率下煤岩破坏特征及其本构模型

利用直径50 mm的分离式霍普金森压杆,对煤岩展开20～100 s?1动态应变率下的单轴冲击压缩试验,结合高速摄影分析其变形破坏特征,并建立基于Weibull统计分布和Drucker-Prager破坏准则的煤岩动态强度型统计损伤本构模型。试验结果表明:（1）煤岩动态应力-应变曲线存在明显的非线性特征,随应变率升高,动态抗压强度与弹性模量均呈线性增长且增幅显著,破坏形态由低应变率下的轴向劈裂破坏向高应变率下的压碎破坏过渡;（2）在动态应变率20～100 s?1下,煤岩破坏后碎块具有明显的分形特性,破碎块度分维值为1.9～2.2,且随着应变率的升高,煤岩破碎程度增大,碎块块度减小;（3）基于Weibull分布参数F₀、m和应变率的关系,修正煤岩的本构模型,并与试验结果进行对比,验证该模型的合理性。     

冲击载荷下盐岩的力学性能和本构关系研究

利用直径75mm的大尺寸SHPB实验装置开展盐岩的动态压缩性能实验研究,得到了其动态应力应变曲线。分析表明,在冲击压缩载荷作用下,盐岩材料有明显的损伤软化现象和应变率效应。针对实验曲线,通过引入描述材料强度随应变率强化的应变率增强因子和随不可逆变形发展而弱化的损伤因子,提出了含损伤率的相关动态本构模型,拟合得到的本构方程形式比较简单,能够较好地反映盐岩动态实验加载过程的主要特征,具有一定的工程应用价值。     

5083H111铝合金宽应变率拉伸动态本构模型

结合5083H111铝合金较宽应变率范围2×10-4 ~ 4×102s-1内的拉伸实验数据,揭示该铝合金的拉伸“V”型率效应特征,分析对数应变率敏感系数λ和切线模量Et的应变率和应变相关性,进而通过对Johnson-Cook模型的修正来建立合理描述5083H111铝合金较宽应变率范围内的动态拉伸本构模型。建立的动态本构模型中,流动应力包括应变率相关和应变相关两部分。该模型合理描述了5083H111铝合金的拉伸“V”型率效应特征,预测结果与实验结果较为一致。另外,结合破坏应变的对数应变率敏感系数β,得到了拉伸破坏应变预测方程,其预测结果也与实验结果基本一致。     

基于元件组合理论的砂岩动态损伤本构模型

采用分离式霍普金森压杆（SHPB）系统,对砂岩进行不同速度下的冲击试验,得到砂岩的应变率效应特征以及典型的动态本构曲线。该曲线分为近似线弹性阶段、塑性阶段、塑性增强阶段和正向卸载阶段。通过组合模型的方法,构建了砂岩含损伤的动态本构模型,借助LS-DYNA软件中的用户材料子程序UMAT接口实现对本构模型的二次开发,并对砂岩在冲击速度为7.5、9.5、11.5和13.5 m/s 4种情况下的SHPB动态冲击压缩试验进行模拟。结果表明:所构建的模型可以很好地描述砂岩的应变率效应和应力-应变曲线弹性段,并且动态峰值强度、最大应变均与试验结果一致,应变率、峰值强度、最大应变与试验结果的相对误差不超过10%。所构建的砂岩动态本构模型能够准确地描述砂岩在冲击作用下的动态力学特性。     

碳纳米管/碳纤维增强复合材料层合板低速冲击响应和破坏的数值模拟

碳纳米管/碳纤维增强复合材料（carbon nanotube/carbon fibre reinforced plastic,CNT/CFRP）是一种多尺度复合材料,比传统CFRP有更好的综合性能和更广阔的应用前景。对CNT/CFRP在低速冲击下的响应和破坏进行了数值模拟研究。首先,基于先前的研究通过引入基体增韧因子、残余强度因子并改进损伤耦合方程,建立了新的FRP动态渐进损伤模型;然后,利用新建立的本构模型并结合黏结层损伤模型,对4种碳纳米管含量的增韧碳纤维增强树脂基复合材料层合板在5个能量下的冲击实验进行了数值模拟;最后,将模拟结果与文献中的相关实验结果进行了比较,并讨论了冲击速度的影响。结果表明:新建立的FRP本构模型能够预测CNT/CFRP层合板在低速冲击载荷作用下的响应、破坏过程和分层形貌,模拟得到的载荷-位移曲线和破坏形貌与实验吻合较好;冲击速度会影响CNT/CFRP层合板拉伸和压缩破坏的比例,相同的冲击能量下,更大的冲击速度会造成更多的拉伸破坏。     

基于OTTOSEN准则的混凝土粘塑性力学模型

研究了混凝土的弹．粘塑性动态本构关系,提出一个应变率相关的非线性混凝土模型．模型改进Bicanic的混凝土塑性间断面变化规律和Ottosen的四参数屈服准则,建立冲击荷载下的混凝土本构方程,可以应用于地震和爆炸作用下混凝土材料响应的研究．根据混凝土动态实验结果对应变率和材料强度的关系提出合理假设,考虑以往被忽略的材料峰值应变和泊松比随应变率的变化．模型包含静水压力参数和动态塑性损伤因子,可以有效地反映混凝土的动态力学行为,为其动态问题的研究提供有益的思路和有效的工具．     

单向KFRP的应变率相关的本构方程

在旋转盘式杆杆型冲击拉伸试验装置上 ,对单向Kevlar 49纤维增强酚醛树脂复合材料(KFRP)进行了冲击拉伸试验 ,得到了应变率为 15 0 ,40 0和 15 0 0s-1下的单向KFRP的完整拉伸应力应变曲线 ;结果表明 ,单向KFRP的力学性能是应变率相关的。通过改进复合丝束模型 ,建立了计及应变率效应的单向KFRP的一维损伤宏观本构方程。     

Al2O3陶瓷材料应变率相关的动态本构关系研究

采用改进的SHPB实验方法对Al2O3陶瓷的动态力学性能进行了研究,得到了材料在较高应变率范围内的动态应力应变曲线。结果表明,Al2O3陶瓷为弹脆性材料,其动态应力应变呈非线性关系,在较高的应变率范围内,陶瓷材料的动态应力应变关系是应变率相关的;材料的初始弹性模量、破坏应力、破坏应变值随应变率的增大而增大。基于损伤力学的基本理论,给出了Al2O3陶瓷的一维损伤型线性弹脆性本构模型。根据SHPB实验结果确定模型中的参数,得到了Al2O3陶瓷应变率相关的损伤型动态本构方程。     

基于石膏材料的小结构重力坝损伤本构模型研究

大坝模型试验的模型材料力学性能是试验成功与否的关键影响因素。基于石膏模型材料基本力学性质和混凝土材料基本相似的实际情况,考虑石膏模型材料的孔隙率,在能量损伤理论模型的基础上,结合工程规范,建立了石膏模型材料的受拉损伤本构模型。同时,分析了模型材料应变率对材料峰值应力的影响,引入动应力提高系数,并给出了与应变率相关的模型材料受拉损伤本构模型。利用该本构模型模拟了动荷载下石膏模型重力坝的破坏过程,并与模型试验结果进行对比。结果表明：数值模拟得到的重力坝开裂破坏的位置、形式与模型试验结果较为接近。     

Kevlar纤维增强复合材料动态压缩力学性能实验研究

通过实验较系统地研究了Kevlar纤维增强复合材料的动态压缩力学性能,实验结果表明,在冲击压缩载荷作用下Kevlar纤维增强复合材料有明显的损伤软化现象和应变率效应,针对Kevlar纤维增强复合材料动态应力应变实验曲线,提出了含损伤的率相关动态本构方程,由于所引入的损伤最反映了Kevlar纤维增强复合材料内部基体开裂、脱层、纤维断裂等多种破坏模式的总体效果,因此所提出的本构方程形式相对说来比较简便并易于嵌入目前有关冲击力学的有限元或有限差分程序,有一定的工程应用价值。     

航空发动机叶片抗冲击动力学拓扑优化研究

本文运用了结合混合元胞自动机(Hybrid Cellular Automaton, HCA)方法和基于LS-DYNA显式有限元算法的动力学拓扑优化方法来解决非线性动力学拓扑优化问题,并形成了该方法迭代过程的数学模型．运用该方法,对某航空发动机叶片进行了动力学拓扑优化设计,给出了优化后结构的材料分布,并与优化前结构进行了对比分析．结果表明,优化后结构相比于优化前在材料分布上更加合理,在减少质量的同时降低了结构在冲击过程中的最大应力,实现了航空发动机的抗冲击优化,为航空发动机动态优化设计提供了有效分析方法．     

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。     

固体破坏理论的若干问题

本文列举和初步探讨了位于当代固体破坏理论的前沿上的十五个问题。它们包括：固体破坏理论的封闭、宏微观非线性力学、尺度效应、多层次计算、细微观实验力学技术、断裂过程区的描述、异质体的强度与韧性、材料的多层次抗破坏设计、高速破坏过程、非均匀介质的动态断裂与前兆、疲劳的起源、破坏元技术、内损伤破坏与微结构形貌演化失稳的识别、材料的微结构演化、电致失效力学。     

损伤演化对韧性金属碎裂过程的影响

固体在冲击拉伸载荷作用下会断裂成多个碎片，基于线性内聚力断裂假设的Mott-Grady模型能较好地预测碎裂过程所产生的平均碎片尺度的下限。然而实际上，韧性金属的损伤演化是多元化的，为此通过数值模拟方法研究了不同损伤演化规律对韧性碎裂过程的影响。利用ABAQUS/Explicit动态有限元软件数值再现了韧性金属杆（45钢）在高应变率下拉伸碎裂的过程，分析了线性和非线性损伤演化对韧性碎裂过程的影响规律。结果表明:损伤演化规律对韧性金属的碎裂过程具有显著影响，非线性指标α越大，碎裂过程产生的碎片数越少；Grady-Kipp碎裂公式仍能在一定范围内预测韧性碎裂过程中产生的碎片尺寸；当非线性指标α远大于零时，在较低冲击拉伸载荷作用下，数值模拟结果和Grady-Kipp模型预测值偏差较大，随着应变率增大，数值模拟结果与Grady-Kipp模型预测值吻合较好。     

基于裂纹扩展脆性岩石动力压缩力学特性研究

动态压缩荷载作用下，脆性岩石内部动态细观裂纹扩展特性，对岩石宏观动态力学特性有着重要的影响。然而，对岩石内部动态细观裂纹扩展与宏观动态力学特性的关系研究较少。基于准静态裂纹扩展作用下的应力-应变本构模型、准静态与动态裂纹扩展断裂韧度关系、裂纹速率与应变率关系模型及应变率与动态断裂韧度关系，提出了一种基于细观力学的动态应力-应变本构模型。其中裂纹速率与应变率关系，是根据裂纹长度与应变关系的时间导数推出；应变率与动态断裂韧度关系，是根据推出的裂纹速率及应变率关系，与裂纹速率及断裂韧度关系相结合而得到。研究了应变率对应力-应变本构关系及动态压缩强度影响。并通过试验结果验证了模型的合理性。讨论了岩石初始损伤、围压、模型中参数m、ε₀和R对应力-应变关系、动态压缩强度和动态弹性模量的影响。研究结果可为动态压缩荷载作用下深部地下工程脆性围岩稳定性分析提供了一定的理论支持。     

平面应变下紧凑拉伸试样的动态断裂韧性的实验研究

材料的动态断裂韧性是衡量材料在动载荷作用下抵杭裂纹扩展能力的重要指标,以往的材料动态断裂韧性测试多采用三点弯曲试样,而针对紧凑拉伸试样的动态断裂韧性研究很少.本文将紧凑拉伸试样(即CT试样)简化成等效弹簧质量模型,得到了CT试样动态应力强度因子的近似表达式.对Hopkinson压杆装置进行了改进,利用改进后的实验装置进...     

Application of a stress triaxiality dependent fracture criterion in the finite element analysis of unnotched Charpy specimens

Nonlinear dynamic finite element analysis (FEA) is conducted to simulate the fracture of unnotched Charpy specimens of steel under pendulum impact loading by a dedicated, oversized and nonstandard Bulk Fracture Charpy Machine (BFCM). The impact energy needed to fracture an unnotched Charpy specimen in a BFCM test can be two orders of magnitude higher than the typical impact energy of a Charpy V-notch specimen. To predict material failure, a phenomenological, stress triaxiality dependent fracture initiation criterion and a fracture evolution law in the form of strain softening are incorporated in the constitutive relations. The BFCM impact energy results obtained from the FEA simulations compare favorably with the corresponding experimental data. In particular, the FEA predicts accurately the correlations of the BFCM impact energy with such factors as specimen geometry, impactor tup width and material type. The analyses show that a specimen’s progressive deterioration through the thickness dimension displays a range of shear to ductile fracture modes, demonstrating the necessity of applying a stress state dependent fracture initiation criterion. Modeling the strain softening behavior helps to capture the residual load carrying capability of a ductile metal or alloy beyond the onset of damage. The total impact energy can be significantly under predicted if a softening branch is not included in the stress-strain curve. This research supports a study of the puncture failure of railroad tank cars under dynamic impact loading. Applications of the presented fracture model in failure analyses of other structures are further discussed.     

基于J-C模型的镁合金MB2动静态拉伸破坏行为

为了研究不同应力状态和应变率条件下镁合金MB2的拉伸破坏行为,利用材料试验机和分离式Hopkinson拉杆(SHTB),对镁合金MB2的光滑及缺口圆柱试件进行了动静态拉伸加载;拟合得到了镁合金MB2的动静态拉伸本构关系,建立了其修正的Johnson-Cook失效破坏准则,并对不同试件的拉伸破坏行为进行了数值模拟;利用SEM对宏观破坏模式对应的微观损伤机理进行了分析。结果表明,随着应力三轴度的增加,镁合金MB2的等效破坏应变先增大后减小,宏观破坏模式由剪切转为正拉断,微观损伤机制由混合断裂转变为韧窝断裂;而随着应变率的增加,等效破坏应变不断减小,破坏模式不发生改变。Johnson-Cook本构关系和修正后的Johnson-Cook失效破坏准则能较好地拟合动态静态拉伸实验结果并预测不同试件的杯锥形破坏特征。     

加载角度对层理页岩裂纹扩展影响的实验研究

采用分离式霍普金森压杆（SHPB）系统对页岩进行冲击实验,研究层理角度对页岩动态断裂过程的影响,在裂尖设置裂纹扩展计,借助高速摄影和数字图像相关（DIC）技术对页岩中心切槽半圆盘弯曲（NSCB）试件断裂的全过程进行研究,得到了不同加载角度下页岩的动态起裂韧度、裂纹扩展速度、断裂过程中应变场和水平位移场的变化规律。实验发现:不同加载角度下,页岩的动态起裂韧度具有显著的各向异性,加载角度与动态起裂韧度呈正相关;加载角度对试样的裂纹扩展速度具有显著影响,与裂纹扩展速度呈负相关;当冲击速度较低时,切槽方向是裂纹扩展的优势方向,而当冲击速度较高时,试样会产生沿层理弱面的次生裂纹,次生裂纹对试样的断裂具有显著影响。