疲劳荷载权函数下混凝土疲劳累积损伤值的研究

在一定应力水平的疲劳荷载作用下,混凝土强度会衰减,混凝土结构发生疲劳破坏.为了能反映出混凝土疲劳荷载作用的先后性(或时间性),论文提出了混凝土疲劳荷载权函数的概念,以剩余强度定义了累积损伤的变量,建立了累积损伤变量与疲劳荷载作用次数的曲线方程.继而分别推导了以混凝土剩余强度所定义的单级和多级荷载疲劳荷载权函数的数学表达式;通过建立的疲劳荷载权函数,推得单级和多级荷载作用下混凝土疲劳累积损伤的计算式,并分别推导和论证了混凝土疲劳破坏时的累积损伤值大于1,不同应力水平的疲劳荷载和不同的荷载作用次序所得到的混凝土疲劳累积损伤值不等同,相同荷载、不同作用顺序对结构疲劳累积损伤贡献不等等重要结论.     

活性粉末混凝土在多次冲击荷载下的力学行为

采用60％的超细工业废渣取代水泥制备了抗压强度达200 MPa的生态型活性粉末混凝土（RPC）,采用分离式霍普金森压杆装置对不同纤维掺量的RPC材料进行了4种方式的多次冲击压缩实验。定义了材料多次冲击压缩标准化强度,揭示了冲击次数、冲击方式、纤维掺量对材料抗多次冲击性能的影响规律。研究表明随着纤维掺量的提高,材料抗多次冲击的能力不断提高。随着冲击次数的增加,材料的损伤程度不断增大,标准化强度不断下降。随着冲击方式的改变,材料首次冲击的损伤增加,第2次和第3次冲击下材料峰值应力下降速度提高。     

冻融循环作用下沥青混凝土分形断裂特性研究

沥青混凝土作为一种主要的路面材料，暴露于外部寒冷环境下冻融损伤是不可避免的。通过对经历不同冻融循环次数的沥青混凝土试件进行CT扫描，采用数字图像处理技术对CT灰度图像进行处理分析，可获得其内部冻融损伤情况。基于分形理论量化表征了冻融循环作用下内部裂纹扩展的几何特征。沥青混凝土经过冻融循环后的断裂韧性被认为是决定其力学性能损伤程度的关键指标，建立了考虑分形特征的临界裂纹应力、应力强度因子和断裂韧性方程。研究发现：平均分形维数反映了冻融循环过程中的波动特征；断裂韧性由裂纹几何参数决定；弹性模量、临界开裂应力及断裂韧性等力学参数随冻融循环次数的增加而逐渐减弱。     

扭转预应变对35CrMo钢低周疲劳性能的影响

自行设计了疲劳和扭转两用的试样,通过对试件预扭转不同的角度,系统研究35CrMo钢在不同扭转预应变下的低周疲劳性能,分析了扭转预应变后35CrMo钢的循环硬化软化特性、滞后回线、塑性应变能及循环弹性模量的变化规律,并对疲劳断口进行扫描电镜分析。结果表明:4种预扭转处理过的试件均表现出明显的循环软化行为,且循环软化规律及衰减的程度基本相同;循环应力范围及疲劳寿命随着预扭转角的增大而降低;应力应变滞后回线中加卸载曲线间的宽度随着预扭转角的增大而减小;塑性应变能都随着循环次数的增大而增加,且随着预扭转角的增大其增大速率下降;循环弹性模量都随着循环次数的增加而逐渐降低,且随着预扭转角的增大其衰减趋势减缓。     

FRP加固RC梁界面疲劳损伤红外检测分析

FRP-混凝土界面剥离损伤的探测是界面力学分析的一个难点。基于三个标准试件探讨了红外检测方法对FRP-混凝土界面剥离探测的精度、可行性以及剥离判断的标准,并对常幅疲劳荷载下FRP加固钢筋混凝土(RC)梁界面的疲劳行为进行了跟踪记录,分析了界面的疲劳破坏过程。试验结果表明,FRP加固RC梁界面存在初始的未粘结区,在疲劳加载的初期界面剥离快速增加,随后在大部分疲劳寿命期内保持稳定,在最后数千次加载循环内界面损伤失稳发展导致整个加固构件的破坏。文中基于红外数据给出了每个阶段的疲劳加载次数和界面剥离损伤的面积。     

一种改进的激光冲击强化效果实验验证方法

表面强化技术可以显著提高材料的疲劳性能,广泛应用于航空零部件的加工制造。在试验研究强化工艺对材料疲劳性能的增强效果时,常采用升降法来进行。针对升降法试验中存在的初始应力不易确定的问题,根据线性累积损伤理论和已知表面强化前材料疲劳特性的特点,提出一种快速确定升降法试验初始应力的方法,应用于K417材料激光冲击强化效果试验验证中。该方法仅需通过2～3个试件的实验即可找到适当的初始应力。通过对不同表面状态标准试片的振动疲劳试验,验证了激光冲击强化可较大幅度增强材料的疲劳性能。     

混凝土疲劳刚度衰减规律试验研究

对C15混凝土进行了大量的静载及恒幅疲劳试验研究，分析了疲劳加载过程中混凝土的刚度衰减规律，并以循环卸载割线弹性模量的衰减率为损伤因子建立了疲劳寿命与循环卸载割线弹性模量的数学模型，提出了通过较少循环的微损试验结果来预测混凝土疲劳寿命的方法．     

冻融和疲劳对预应力受弯构件损伤的影响

通过15根预应力及普通混凝土试验梁在经历不同冻融循环次数后的疲劳试验, 探索试验梁 相对动弹模衰减规律, 以相对动弹模为损伤变量, 通过方差分析方法定量分析冻融和疲劳两 种因素对构件损伤的影响. 研究表明试验梁在冻融和疲劳荷载双因素作用下, 初期以冻融损 伤为主, 之后很快发展为以疲劳损伤为主, 疲劳损伤是构件的主要损伤因素. 施加预应力或 提高预应力度对试验梁疲劳损伤有较明显的抑制作用, 将缩短试验梁全寿命中以疲劳损伤为 主的时间.     

冲击荷载作用下滤波混凝土的动态响应与层裂损伤数值研究

借鉴局域共振材料的工作机制，通过在混凝土基体中嵌入滤波单元，设计出具有应力波衰减特性的滤波混凝土。通过将滤波混凝土结构简化为质量弹簧力学系统来分析滤波混凝土对应力波的衰减机制。采用数值模拟方法，对比研究了冲击荷载作用下普通混凝土模型和滤波混凝土模型中应力波的传播特性和层裂破坏模式。通过参数分析，研究了滤波单元的材料和几何属性对其储能效果的影响。研究结果表明：滤波单元有效降低了混凝土基体中应力波的传播速度和应力峰值；滤波单元的储能机制有效降低了混凝土基体中的能量；金属球的质量越大，滤波单元的储能效果越好，但弹性层的弹性模量和厚度需要通过适当分析进行设计以实现滤波单元的储能最大化；滤波混凝土基体的局部损伤耗散了荷载中的大量能量，有效降低了结构自由面附近的破坏程度。     

混凝土动态破坏过程超声波测试研究

混凝土在荷载作用下会产生损伤或破坏,用超声波的方法可测量损伤或破坏的程度。但在荷载作用下混凝土的破坏是一个动态过程,由于测试面发生变形,使常规超声波测试无法完成。本文研制了一个混凝土材料破坏过程超声波测试辅助装置,结合原有的非金属材料超声波检测仪,使测试混凝土材料动态破坏过程成为可能。同时通过辅助装置还可消除试件在破坏过程中由于变形带来的测试误差,可方便、快捷、准确地测试混凝土在荷载作用下的动态破坏过程。采用常规混凝土和冻融混凝土为试件,在材料万能试验机上进行了破坏实验,得到了不同荷载作用下超声波的波速。实验结果表明,混凝土的超声波波速随混凝土的破坏程度不断增大而减小,由此表示可采用超声波测试的方法确定混凝土的动态破坏过程。     

基于声发射矩张量分析混凝土破坏的裂纹运动

从细观上看, 混凝土是一种由骨料、水泥浆基体、裂纹等组成的非均匀复合材料. 单轴准静态加载条件下, 应力应变曲线表现出明显的准脆性特征. 其变形破坏过程实质上是内部微裂纹产生、扩展和汇合的过程, 研究细观尺度的裂纹扩展演化将有助于深入了解混凝土的变形和破坏过程. 声发射作为一种物理检测方法可以获取材料内部细观损伤演化的物理信息. 本文基于声发射技术, 结合改进的时差定位算法和矩张量理论对声发射信号进行分析, 反演了混凝土巴西劈裂破坏中裂纹位置、裂纹类型以及裂纹面运动方向, 揭示了混凝土宏观拉伸破坏的细观裂纹扩展机制. 结果表明: 裂纹运动过程清晰地显示了混凝土内裂纹源首先在试件与载荷接触面附近产生, 之后聚集形成局部损伤区域, 并沿轴线向中心扩展(加载平面)以及裂纹从试件中间向表面扩展的动态过程(厚度方向); 裂纹运动体积可以作为裂纹形成、扩展过程中弹性能释放的度量, 初始裂纹成核时体积参数较小, 峰值载荷时, 裂纹运动体积最大达到$5.93\times10^{-4}$ mm$^{3}$; 混凝土宏观尺度的拉伸破坏在细观尺度上存在有拉伸裂纹、混合裂纹以及剪切裂纹; 拉伸裂纹最多, 占裂纹总数约为60%, 剪切裂纹最少, 约占裂纹总数的10%; 拉伸裂纹运动主导了试件的宏观劈裂破坏.      

Modelling viscoelastic materials whose storage modulus is constant with frequency

This paper presents a relaxation function characterising viscoelastic materials whose storage modulus is constant with frequency, and whose loss factor shows the representative peak of damping materials. This behaviour is typical of some composite materials, where the elastic constituents give the constant modulus, and the polymeric components provide the variable loss factor. The new model gives a way to provide comparative data for different materials in a form which can easily be incorporated into simulations. The physical meaning of the model parameters is defined from the analysis of the complex modulus in frequency domain. The presented relaxation function is validated by curve fitting to experimental measurements carried out on polymer concrete specimens, made of epoxy resin matrix with mineral aggregates.     

应力平衡和接触状态在Hopkinson杆测试聚合物动态弹性模量中的影响研究

针对用Hopkinson杆试验能否准确测量聚合物动态弹性模量以及其中主要影响因素的问题,本文基于重构试样初始加载阶段的应力波反射透射过程,分别计算了6个特征时间内的前三次反射波和透射波,得到试样的应力平衡度和试样的应力应变曲线。对于所研究的聚合物材料,通过比较重构的应力应变曲线的弹性模量与输入的材料弹性模量,发现在4个特征时间后,误差仅在3%左右。因此试样变形过程中的应力平衡与否不是材料在Hopkinson杆试验中弹性模量测不准的原因。通过环氧树脂试样试验发现,根据Hopkinson杆理论计算的应变结果要大于试样上应变片实测的结果,误差在11%左右。相应的数值模拟研究发现:试样和杆子端面接触状态直接决定着试样弹性模量测量的精度。关于惯性效应和压痕效应的研究也证实它们的影响是可以忽略的。     

考虑孔洞影响的铸造镁合金ZM6疲劳寿命预估方法

铸造镁合金ZM6是一种应用于直升机减速器机匣制造的典型材料。然而,在铸造过程中产生的内部缺陷对材料的疲劳性能有显著影响。本文研究了含内部孔洞缺陷ZM6材料的疲劳损伤模型和寿命预估方法。首先,采用X射线断层扫描技术,对三个批次毛坯料制成的试验件进行扫描观察,获得了试验件内部孔洞的分布特征。进而,对48件试验件进行了两种应力比下多级应力水平的疲劳试验,获得了各批次试验件寿命结果,并通过观察与分析,得出了孔隙率和近表面较大孔洞为影响试验件疲劳寿命的两个关键因素。然后,基于损伤力学理论提出了通过材料初始弹性模量和等效孔洞局部应力应变场来分别反映孔隙率和近表面较大孔洞影响的疲劳损伤模型和寿命计算方法,并结合ABAQUS软件平台实现了含孔洞试验件的疲劳损伤计算和寿命计算。最后,采用所提理论模型和计算方法给出了试验件的疲劳寿命预测结果,并与试验结果进行了不同维度的对比,验证了所提模型与方法的有效性和适用性。     

超材料混凝土的带隙特征及对冲击波的衰减效应

借鉴超材料的研究思路，在混凝土中引入谐振骨料，设计出具有消波特性的超材料混凝土。首先，通过结构动力学方法计算超材料混凝土的有效质量，从而建立了超材料混凝土带隙起始频率及截止频率的简化模型，并给出了带隙起始频率及截止频率的理论表达式。然后，分析了涂层弹性模量、芯柱密度、基体密度、骨料体积占比和芯柱边长与软涂层厚度比对超材料混凝土带隙特征的影响。最后，采用数值模拟的方法，对比了超材料混凝土和普通混凝土对冲击波的衰减效应。研究结果表明:(1)低弹性模量涂层能够形成低频带隙，但带隙宽度较窄，而高弹性模量涂层能够形成较宽的带隙，但带隙起始频率较高；(2)通过选择高密度芯柱材料和低密度基体材料，可以得到低频、宽带隙特征；(3)通过增大骨料体积占比和芯柱边长与软涂层厚度比可以实现扩宽带隙的目的；(4)与普通混凝土相比，超材料混凝土对冲击波具有更好的衰减作用。     

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。     

双圆柱气囊缓冲性能分析

基于有限元法和控制体积法,建立了双圆柱气囊缓冲系统的有限元模型。以着陆速度为6.7m/s,高为2m,直径为1m的圆柱形气囊为例,利用LS-DYNA软件计算气囊缓冲过程中空投设备的速度和加速度,并对影响气囊缓冲性能的织物弹性模量、排气孔开口面积以及气囊初始内压进行了分析。结果表明:(1)当气囊织物的弹性模量E≤0.5GPa时,增大弹性模量可以显著提高气囊的缓冲性能;当气囊织物的弹性模量E0.5GPa时,增大弹性模量对气囊缓冲性能的影响很小。(2)在不超过排气阀门值的范围内,增大气囊的初始内压可以有效地提高气囊的缓冲性能。