材料破坏过程可视化实验教学方法研究

基于数字图像相关技术,提出材料破坏过程可视化的实验教学方法,并以混凝土材料为例,介绍该方法在劈拉与单轴压缩实验中的应用及其效果。通过监测混凝土劈拉与压缩破坏过程,分析了该材料破坏模式,揭示了混凝土材料劈拉与压缩破坏机理。应用数字图像相关方法获得试件表面应变场分布,验证了材料破坏机理,并提出适用的破坏强度理论。     

THE VISUAL EXPERIMENTAL TEACHING METHOD FOR MATERIAL FAILURE1)

基于数字图像相关技术,提出材料破坏过程可视化的实验教学方法,并以混凝土材料为例,介绍该方法在劈拉与单轴压缩实验中的应用及其效果。通过监测混凝土劈拉与压缩破坏过程,分析了该材料破坏模式,揭示了混凝土材料劈拉与压缩破坏机理。应用数字图像相关方法获得试件表面应变场分布,验证了材料破坏机理,并提出适用的破坏强度理论。     

混凝土材料三点弯曲破坏的声发射特性

为了研究碎石混凝土材料在不同应力状态下的声发射信号特征,在MTS材料试验机上对混凝土梁进行了三点弯曲实验,并利用先进的多通道声发射系统监测了混凝土梁在三点弯曲载荷下的破坏过程。通过对声发射信号的持续时间、振铃计数、撞击数进行滤波,将混凝土材料破坏过程的声发射信号分成七种类型,同时结合前人关于混凝土材料Kaiser效应的试验研究,将七种类型的声发射信号对应于不同的相对应力水平。研究结果表明,声发射信号的持续时间、振铃计数以及撞击数不仅可以表征混凝土破坏过程的类型,还可以表征混凝土材料所处的应力状态,从而为声发射技术在线监测混凝土材料提供了一种新的途径。     

受拉钢筋混凝土构件破坏过程的数值模拟

采用三维材料破坏过程分析MFPA3D系统,对钢筋混凝土构件轴心受拉条件下的受力、变形与内部裂纹萌生、扩展及最终破坏全过程进行了数值试验研究。数值模型中引入统计分布函数反映了混凝土的非均匀性影响,并采用具有残余强度的弹性损伤本构模型及其破坏单元材料性质退化方法,利用位移加载方式对钢筋混凝土构件实施拉伸加载。通过对钢筋、素混凝土方形体以及钢筋混凝土方形柱体构件在拉伸作用下破坏过程的数值试验,分析了钢筋与混凝土两种材料之间的相互作用、约束机理和破坏机理。数值试验成果对于深入了解钢筋和混凝土的联合受力规律和钢筋在开裂前后对整体钢筋混凝土结构的作用机制有参考价值。     

飞机撞击混凝土结构的动力学分析

基于已有的飞机撞击混凝土结构的实验数据，利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA，选用可模拟冲击作用下混凝土性能的4种不同材料模型，在同一接触算法、同一失效准则下，进行飞机撞击混凝土结构的数值模拟与动力学分析，探讨了4种混凝土材料模型在模拟飞机撞击下混凝土结构破坏效应的能力。结果表明:4种混凝土材料模型均能模拟飞机撞击混凝土结构的穿入、散裂、碎甲等局部破坏效应，但在考虑正、背面破坏面积及剩余速度等因素时，MAT072R3和MAT084材料模型的计算结果与实验结果较接近，MAT111材料模型次之，MAT159材料模型有较大的差异。本文的研究结果可为后续评估混凝土结构安全壳抵抗飞机撞击能力时提供基础参数。     

钢质套筒被动围压下混凝土材料的冲击动态力学性能

为了研究混凝土材料在钢质套筒侧限约束下的动态力学性能参数和破坏规律，采用分离式大直径（75 mm）SHPB实验技术，测试了钢质套筒侧限约束下不同混凝土试件在不同载荷作用下轴向或径向的应力、应变峰值，平均应变率，计算了混凝土材料的损伤值，描述了加载破坏现象，对实验结果进行了分析。结果表明:混凝土材料在被动围压下，延性、抗破坏能力得到加强，具有明显的增强效应。被动围压下SHPB实验中混凝土材料的破坏应变为典型SHPB实验中破坏应变的1.8～2.8倍；破坏应力达到150 MPa以上，为静力学无围压条件下的2～5倍。     

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。     

基于离散模型的混凝土构件破坏过程研究

刚体-弹簧元模型是一种离散化分析模型,可以反映连续体从开裂到破坏不连续过程的真实裂缝形态.论文在总结既有相关研究的基础上,引入并程序化刚体-弹簧元模型用于混凝土构件开裂破坏行为研究,特别是有关混凝土构件开裂后直至破坏的裂缝真实形态研究.首先确定了三维刚体-弹簧元模型中刚体单元的划分、弹簧元的特性(混凝土材料本构关系施加于弹簧元)、刚体单元与弹簧元装配方式、钢筋本构关系及其与混凝土相互作用,然后实现了刚体-弹簧元模型用于混凝土构件开裂破坏行为研究的程序化,并以剪切破坏的钢筋混凝土构件进行实例验证.结果表明,基于刚体-弹簧元模型的程序可以较为准确地反映该钢筋混凝土构件从开裂到破坏真实裂缝形态.     

基于联合有限元-离散元的混凝土重力坝破坏三维仿真模拟

水利工程中混凝土重力坝在地震等作用下的三维破坏形式以及破坏过程对大坝安全影响重大。本文建立了固体材料的联合有限元-离散元(Combined Finite-Discrete Element)三维数学模型,并引入Single/Smeared断裂损伤模型,模拟混凝土材料的破坏。数学模型经验证后,用于地震作用下混凝土重力坝破坏的三维数值模拟,结果表明,联合有限元-离散元方法能够有效模拟坝体的破坏模式和破坏阈值条件,且具有将坝体连续变形与不连续断裂有机结合的优点。通过一系列数值模拟工况的对比,分析了模型网格分辨率对破坏条件、破坏模式以及程序计算效率的影响,研究结果能够为大坝的抗震设计提供有价值的参考。     

多轴加载下混凝土细观破坏模拟的强度准则探讨

实际工程结构中混凝土材料大多处于双轴或三轴的复杂应力状态,已有的细观力学数值研究工作大多针对单轴加载问题,对于双轴或者三轴加载条件下混凝土破坏模拟的研究相对较少。复杂受力条件下的混凝土材料破坏模拟中,细观组分强度准则选取的合理与否将成为混凝土破坏模式及宏观力学性能数值研究准确和成功与否的关键。本文旨在探讨单轴强度准则,如最大拉应变准则在多轴加载条件下混凝土破坏过程研究中运用的合理性。鉴于此,首先在细观尺度上建立了混凝土试件的二维随机骨料模型,分别采用弹性损伤本构关系模型及塑性损伤本构关系模型来描述细观组分(即砂浆基质)的力学性能,对双轴加载条件下混凝土的细观破坏过程进行数值模拟,对比了单轴强度准则和多轴强度准则下混凝土试件破坏路径及宏观应力-应变关系的差异。数值结果表明,简单的单轴强度准则难以反映双轴加载下混凝土内部应力状态的复杂性,不宜采用单轴强度准则来描述多轴加载下混凝土的破坏行为。     

细观力学和细观损伤力学

本文扼要地阐述细观力学的定义和范畴;探索其主要研究课题和应用领域,展示细观损伤力学的新进展;并对细观力学的未来发展趋势加以展望。     

位错花样研究进展——试验研究、理论分析和计算机模拟

本文详细综述了位错花样形成演化的电镜观察研究、理论分析和计算机模拟的最新进展,并进行了简要的评述,指出了今后研究的方向。     

玻璃态高分子材料银纹力学研究进展

银纹是玻璃态高分子材料所特有的一种现象, 它既是高分子材料的塑性变形和增韧机理, 又 是高分子材料的损伤机理, 还是连接高分子材料微观损伤与宏观破坏的桥梁. 银纹的萌生、 长大与断裂是高分子科学和固体力学所共同关注的难题. 过去几十年在试验、理论和数值模诸方面也取得了显著进展, 但较为系统的理论框架尚未 建立, 人们试图把细观力学的基本知识与高分子系统银纹化现象联系起来的设想才刚刚开始, 且尚未在指导高分子合金设计方面起到关键作用. 本文试图对近10多年来, 高分子银纹化的 研究进展予以介绍和评述. 首先简要介绍银纹的基本形貌、萌生判据与生长规律, 然后分别介绍银纹断裂力学、银 纹损伤力学和银纹细观力学的研究进展和成果, 最后概要介绍银纹分子动力学研究的最新进 展.     

粘弹性准静态、动态问题的数值解法

本文综述了自６０年代以来粘弹性体在准静态、动态下应力、变形的数值解法——有限元法、边界元法所取得的进展，对今后的研究提出了建议。     

空间网格结构损伤探测的研究进展

空间网格结构损伤探测技术是目前结构工程领域研究的热点和难点．根据国内外的最新文献信息，讨论了损伤探测技术在空间网格结构中的应用及最新的研究进展，对现有文献中的方法进行了分类和评述．重点介绍了目前比较适用的柔度法和模型修正方法，对该领域中尚存在的问题进行了讨论，对今后的发展方向及趋势进行了展望．     

基于实验的反演识别方法及其在材料力学性能研究中的应用

本文介绍了基于实验的反演识别方法,综述了该方法在材料力学以及界面力学性能研究中的应用.内容包括:讨论了基于实验反演识别整体化策略与若干关键技术,比较了几种识别算法的优缺点,给出了在金属基复合材料界面力学损伤与破坏及考虑时间效应的粘接界面力学模型与实验表征方面的应用,简介了在其它材料力学性能研究等方面取得的进展.最后,对该实验分析方法发展趋势进行简要评述.     

织物力学研究的新进展

简要地回顾了织物力学的发展历史,重点介绍近10几年来,在服装CAD核心------"试衣系统"的技术需求的刺激下,在织物悬垂、屈曲方面研究的进展.特别是关于织物屈曲研究的开展,涉及到了织物本构理论这个织物力学中最基础的问题,织物细观本构理论的建立和对织物一系列屈曲现象的成功的解析分析是织物力学研究的最新进展,构成了近代织物力学的主要内容.最后,对今后织物力学研究的方向进行了展望.     

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。     

大型土木结构多尺度模拟与损伤分析——————从材料多尺度力学到结构多尺度

从阐述重大土木工程结构安全运营面临的挑战性课题------结构多尺度力学问题开 始, 对多尺度力学中的材料多尺度模拟和结构多尺度模拟的工程背景、多尺度特征和关键研 究内容进行比较性评述;在此基础上, 重点介绍了对研究大型土木结构多尺度力学问题可能 有参考价值的材料多尺度模拟和分析方法如周期性异质材料问题的平均化与渐进分析方法、 单位分解法和多尺度重构核函数法, 以及大型土木结构多尺度模拟与分析领域的研究现状, 由此引出结构多尺度力学研究中亟待解决的关键问题并加以评述;通过认识与比较结构多尺 度与材料多尺度问题的共性与个性, 文中综述了在大型土木结构多尺度问题的研究进程中可 供参考的理论与方法, 提出了这类结构多尺度力学问题研究的几个关键科学问题为: 结构多 尺度模拟中的连接与跨越问题、多尺度模型的修正和验证、结构损伤的时间多尺度模拟与分 析、结构强度和损伤失效过程中多尺度分析的跨尺度敏感性与随机性因素, 以及适用于大型 土木结构多尺度模拟和计算分析的实施策略与技术.     

金属材料疲劳损伤的宏细观理论

工程结构的疲劳损伤发展过程经历了由初始缺陷的形成、裂纹 的稳态扩展直到最后失效的不同发展阶段，通常疲劳损伤的演化可以 概括为以下几个阶段：(1) 亚结构和微观结构的变化引起永久损伤的 形成，产生微观裂纹；(2) 微观缺陷的长大会合形成主裂纹；(3) 主 裂纹稳态扩展；(4) 结构失稳或完全失效.首先论述了疲劳裂纹扩展 的物理机制，并从细观和宏观两个方面总结了处理疲劳裂纹问题的最 新研究成果，对位错力学在处理短裂纹扩展问题中的应用，以及无位 错区(DFZ)在疲劳裂纹扩展中的作用进行了较详细讨论.