表征沥青及沥青混合料高低温蠕变性能的流变学模型

本文根据由高、低温蠕变实验所得到的沥青混合料的变形特性,在分析现有流变学模型性能的基础上,提出了一种能够精确地表征沥青混合料变形特性的流变学模型,导出了其蠕变方程,并根据蠕变实验结果确定了材料的模型参数.这一模型的建立,为采用流变学理论和粘弹性理论研究沥青混合料及沥青路面奠定了基础.     

胶凝原油蠕变的时间-温度-应力等效性

黏弹性蠕变是胶凝原油重要的流变特性,要描述胶凝原油的黏弹性蠕变行为,必须同时考虑 应力、时间和温度等参数. 于是对胶凝原油进行了不同应力和不同温度下的蠕变实验,利用 时间-温度-应力等效原理分析了胶凝原油的非线性蠕变行为,得到了参考应力和参考温度下 的蠕变主曲线,并用黏弹性流变模型拟合得到了蠕变主曲线的表达式. 从而可以分别通过较 高温度和应力水平下的短期蠕变行为来预测较低温度和应力水平下的长期蠕变行为.     

沥青混合料增量型热粘弹性本构关系研究

基于热粘弹性力学理论,就不同的温度条件下沥青混合料的应力松弛特征开展了试验研究,用广义Maxwell模型模拟沥青混合料的粘弹特性,应用热流变简单材料的时温等效原理对实验结果进行了分析和参数拟合,然后通过理论推导得到沥青混合料非定常和非均匀变温条件下增量型热粘弹性本构关系;在此基础上,给出利用此增量型应力应变本构关系进行沥青路面热粘弹性力学分析的数值实现方法,并给出一个计算实例。     

利用三维随机模型分析沥青混合料的蠕变行为

将沥青混合料看作由粗骨料和沥青砂组成的两相复合材料,根据给定的级配生成凸多面体骨料,然后利用随机投放算法建立沥青混合料试样的三维随机模型.采用广义Maxwell模型刻画沥青砂的本构行为,其参数通过单轴蠕变实验获得.在对三维随机模型的有效性进行验证之后,采用参数化建模方法建立包含不同骨料分布、含量和级配的沥青混合料有限元...     

利用三维随机模型分析沥青混合料的蠕变行为

将沥青混合料看作由粗骨料和沥青砂组成的两相复合材料,根据给定的级配生成凸多面体骨料,然后利用随机投放算法建立沥青混合料试样的三维随机模型.采用广义Maxwell模型刻画沥青砂的本构行为,其参数通过单轴蠕变实验获得.在对三维随机模型的有效性进行验证之后,采用参数化建模方法建立包含不同骨料分布、含量和级配的沥青混合料有限元模型,通过数值模拟研究骨料分布、含量和级配对沥青混合料蠕变行为的影响.结果表明:骨料分布对沥青混合料力学性质的影响较小;沥青混合料瞬时弹性模量随骨料含量的增加呈近似线性增大,而且弹性模量与骨料含量之间的关系曲线处于Paul上下边界内;在计算考虑的粒径范围内,骨料平均粒径越小,沥青混合料抵抗变形的能力越强.     

SHPB实验中粘弹性试件内部应力波的传播

建立描述SHPB实验中线性粘弹性试件内部应力波传播的控制方程组,根据试件两端与入射杆及透射杆接触的应力波特征关系给出耦合边界条件.对方程组和定解条件进行Laplace变换,求得试件内部应力在变换域像函数的表达式.采用数值反变换技术进行反Laplace变换,获得试件两端的应力时程曲线.对现有的固定Tal-bot反变换算法进行改进:将入射波像函数分解为基本部分和延迟部分,利用固定Talbot算法对基本部分入射波作用下的波动问题求解,其他部分的解通过延迟定理得到,最终解为两部分的叠加.采用这种改进算法得到的不同入射波下粘弹性试件的内部应力解与传统的基于特征线数值模拟方法的结果吻合.在此基础上探讨了粘弹性试件的几何参数和材料本构参数对透射波波形的影响.     

丁基橡胶粘弹性材料的非线性蠕变本构描述

对丁基橡胶ZN-17粘弹性材料进行了不同温度、不同应力水平下的蠕变实验,揭示了该材料的非线性蠕变特性。基于蠕变实验结果,对标准线性固体模型描述该材料蠕变行为的预言能力进行了评估,提出了新的非线性蠕变本构模型。通过与实验结果比较,表明新模型能较好地描述该材料的非线性蠕变特性。     

考虑温度效应的沥青混合料粘弹性力学模型

提出一种同时考虑时间和温度效应的沥青混合料本构模型,基于传统的Burgers模型,得到新模型的粘弹性力学参量.采用4种温度下的实验数据对模型参数进行标定,运用新的本构模型对实验结果进行拟合,拟合曲线比传统的Burgers模型拟合曲线更加吻合实验数据,能更好地反应沥青混合料的物理力学行为,同时新模型的物理意义更明确.本模型为进一步研究沥青路面的路用性能和破坏机理提供了新的理论工具,丰富了粘弹性力学理论.     

平面粘弹性问题的辛求解方法

将弹性力学辛对偶求解方法与Laplace变换相结合,提出了一个求解粘弹性平面问题的新方法。首先利用Laplace变换,将粘弹性平面问题转化为一个准弹性问题,在辛弹性力学的框架下,利用分离变量和辛本征展开法对其进行求解,然后由逆变换得到原问题的解。为证明方法的有效性,求解分析了矩形域平面粘弹性圣维南问题,得到了令人满意的结果。     

非线性粘弹体的时间-温度-应力等效原理及其应用

考虑粘弹性材料特征时间的应力相关性,认为应力水平与温度、压力、溶剂浓度、损伤及老化等材料特征时间的影响相似,有其等效性。依自由体积理论,推导了温度－应力移位因子的表达式,提出了时间－温度－应力等 效原理。应用此原理,可以将不同温度和应力水平下的儒变曲线移位成某一参考温度和参考应力水平下的主曲线,从而可以通过较高温度和应力水平下的短期蠕变行为来预测较低温度和应力水平下的较长期的蠕变行为。实例分析了高密度聚乙烯（HDPE）非线性蠕变行为的－应力等效性。     

STUDY OF CREEP PARAMETERS OF GRANITE IN STEADY STATE UNDER CONDITIONS OF HIGH TEMPERATURE AND HYDROSTATIC PRESSURE

高温高压花岗岩钻孔实验表明,温度低于500℃,静水应力低于150MPa 状态下,岩体的钻孔变形均属于稳态蠕变变形阶段. 该文选取了广义开尔文模型来反映其特征,通过拉普拉斯变换及逆变换,详细推演出了钻孔径向位移解析解,并且考虑温度-应力的耦合效应,给出了模型参数随温度及应力变化的关系式. 利用该关系进行拟合计算,说明广义开尔文模型来表达高温高压环境中的花岗岩稳态蠕变变形特性,寻求蠕变参数是合理可靠的. 该文对于高温岩体地热资源开发中的钻孔施工与维护、钻孔变形量预测等方面,具有实际的指导意义.     

孔隙压力作用下圆形巷道围岩的蠕变分析

在原有的岩土流变理论基础上,与渗流力学原理相结合,考虑孔隙压力及孔隙度在岩石蠕变过程中对于岩体变形的影响,在弹性解答的基础上,通过Laplace变换(对应性原理)得出解析解．在一定的假设条件下,利用弹性力学基本方程、蠕变方程及有效应力原理(Terzaghi有效应力方程),采用H-K体模型作为本构方程,将孔隙压力引入到围岩蠕变方程中．给出在孔隙压力作用下的蠕变曲线,并与不考虑孔隙压力和定孔隙压力条件下蠕变曲线相比,其更接近于实际．     

汽车玻璃高温蠕变特性的实验与理论研究

通过对汽车用挡风玻璃进行不同温度、不同应力水平下的单轴拉伸蠕变实验,揭示了其非线性蠕变变形特性.实验发现,不同温度和载荷下的蠕变曲线形状类似,高温(550℃～590℃)下该材料的减速蠕变变形不很明显,主要表现为稳态和加速蠕变变形,且其断裂数据符合Monkman-Grant关系,应力和温度对其影响不显著.基于实验结果,本文建立了非线性高温蠕变本构方程.理论预测与实验数据进行了比较,结果表明所提出的本构方程能较好地描述汽车玻璃高温蠕变变形的全过程.     

沥青混合料车辙变形的离散元数值模拟

采用Burgers模型描述沥青基质的粘弹性,根据实验数据确定Burgers模型参数。借助数字图像处理方法建立试件几何模型,利用离散元法开展了车辙变形的离散元数值模拟,研究了沥青混合料在不同骨料分布、不同载荷和不同温度条件下的车辙深度变化情况。结果表明：温度对车辙变形的影响在沥青软化点附近较大,在离开软化点的范围较小;当温度较低时,混合料的整体性比较好,骨料分布对局部车辙变形的影响比较小,超载引起的车辙增量不太明显,而当温度达到或超过沥青软化点时,混合料的整体性明显下降,骨料分布对局部车辙变形的影响非常突出,超载引起的车辙增量也非常显著。因此,当超载和高温组合到一起时,车辙变形会大幅度增加,将给路面安全带来严重隐患。     

单向纤维复合材料粘弹性性能预测

建立了基于均匀化理论的单向纤维复合材料粘弹性性能预测方法。对单向纤维增强复合材料粘弹性问题的控制方程进行Laplace变换,在像空间中利用均匀化理论建立宏观松弛模量的Laplace变换与微结构描述参数以及变换参数间的关系。用Prony级数模拟松弛模量随变换参数的变化形式,并根据像空间中一系列变换参数对应的松弛模量的数值,采用函数拟合技术确定Prony级数的形式,从而确定用显示形式表示的松弛模量的Laplace变换随变换参数的变化规律。对显式表达式的逆变换获得时间域内的松弛模量。该方法利用拟合函数的逆变换避开了复杂的数值Laplace逆变换,使单向纤维增强复合材料的粘弹性性能的确定变得容易。文中给出了单向纤维复合材料松弛模量的数值预测结果并同有限元法模拟试验的结果对比,验证了预测结果的准确性以及本文方法的有效性。     

铝合金筋板蠕变全过程的Graham改进模型研究

采用分离模型推导了铝合金筋板的循环弹塑性在蠕变全过程的应力-应变增量关系,并用塑性增量及蠕变理论分析了筋板在温度场及应力应变场作用下的热弹塑性-蠕变力学性质。将蠕变应变增量以初应变形式置入ANSYS隐式蠕变方程中,推导出包含初应力和初应变过程的Graham改进模型。用提出的Graham改进模型对四应力水平下的筋板蠕变实验数据进行拟合,并对比分析。结果表明,拟合结果能够较好地表征铝合金筋板在不同应力水平下不同蠕变阶段的蠕变特性,且对高应力水平的加速蠕变特性具有很好的适用性。同时,Graham改进模型和传统模型的有限元模拟预测结果进一步验证了在同一位置时改进模型的误差更小,拟合效果更好。     

无网格方法在平面粘弹性力学问题中的应用

本文综合应用无网格方法(EFGM)、线性粘弹性与弹性力学之间的对应原理,Laplace变换和逆变换等方法求解了拟静态平面弹性和粘弹性力学问题。首先,利用Laplace变换和逆变换推导了平面问题的粘弹性本构关系,建立了拟静态粘弹性平面问题的边值问题;其次,利用粘弹性与弹性力学之间的对应原理得到了Laplace变换域中平面问题的基本方程,在Laplace变换域中建立了相应的泛函,并得到了用无网格方法离散的控制方程;同时,求解了几个拟静态弹性和粘弹性平面问题,给出了它们的表达式和数值结果;最后,采用Laplace逆变换和数值逆变换,得到了粘弹性力学平面问题在物理空间中的解,并比较了由解析解和无网格数值方法所得到的数值结果,可以看到它们是非常吻合的。说明本文方法的正确性和有效性。     

岩体原位流变荷载试验的力学参数与模型反演

根据现场岩体原位测试的60m和70m处两试验点的流变变形曲线,首先通过曲线特征筛选出了能够描述其变形特性的流变模型(三参量固体模型,Burgers模型),基于粘弹性分析理论及两步反分析法思路,建立了荷载试验的三参量固体模型、Burgers模型的位移优化反演格式,利用分级加载所获得的瞬时弹性位移,反算出了两试验点处的岩体弹性体积模量K、剪切模量G0和变形模量E0,并由优化反演方法获得了两模型的所有流变参数G1,η1,η2和E1以及长期弹性模量E∞。利用所获得的粘弹性参数分别计算出了在不同载荷下两种模型的理论解析曲线,并与实测曲线进行了分析对比,最终获得了能够较真实地描述试验区域岩体流变变形特性的最佳模型,即三参量固体模型。通过对比分析验证了所用思路及方法的正确性和实用性,文中方法虽然应用于流变荷载实验情况,但其具有一定的普遍意义,可应用于不同状况的流变实验的参数确定和模型反演。     

岩石蠕变模型的比较和修正

对三种岩石在不同的应力下进行了蠕变实验,对蠕变实验曲线用粘弹模型进行了模型参数的反演,结果认为标准线性体、伯格斯和对数模型都是实验曲线的很好近似.为了进一步了解蠕变实验时间对模型参数的影响,研究了蠕变模型的预测功能.将实验蠕变曲线分成二部分,第一部分用于模型参数的反演,第二部分用于模型预测数据的检验.时间外延所得的模型的预测曲线都明显偏离了实测曲线,伯格斯和对数模型的预测曲线比实测曲线偏高,而标准线性体模型则偏低.根据不同时间的蠕变实验数据的比较和分析,认为实验时间对蠕变模型参数的反演有较为明显的影响,但只要对标准线性体模型作适当修正,引入与时间尺度有关的函数C(t),则该模型的预测能力就有较大的提高.     

ANALYSIS OF MECHANICAL CHARACTERISTICS OF FROZEN CLAY AND MODIFIED S-M CREEP MODEL1)

为合理描述人工冻结法施工的矿井土层力学特性,对某矿井土样的重塑土进行单轴抗压强度实验和单轴压缩蠕变实验,得到重塑冻结黏土在不同温度及载荷加载等级下的应力-应变曲线和蠕变曲线。实验结果表明：冻结温度越低,土样的单轴强度越大;相同冻结温度下,土样的蠕变变形随着应力水平的升高而增大。单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线随时间发展向应变轴靠拢;土样经历初始蠕变和等速蠕变两个阶段,在较高应力水平下有进入加速蠕变的趋势;对S-M模型中各参数的意义进行修正并考虑温度的影响,得到人工冻结黏土改进S-M蠕变显式模型,然后采用粒子群算法对人工冻结黏土S-M蠕变模型参数进行优化。改进S-M蠕变显式模型理论计算值与实验值吻合良好,表明改进S-M蠕变显式模型能较好模拟人工冻结黏土的蠕变特性。改进S-M蠕变显式模型为人工冻土蠕变计算提供一种新方法。