实验数据反演识别分析方法与力学表征

本文给出了两类基于实验(实测)数据的反演识别方法,简述了其在界面力学性能及工程实测数据分析中的应用.在粘接界面力学性能的反演识别实验研究中,基于不同加载速率的实验曲线,结合参数化界面力学模型,通过反演识别给出粘接界面力学性能参数,并对识别结果的适定性进行独立的实验验证;在基于工程实测数据的反演识别与力学建模方面,在分析盾构装备载荷特点的基础上,对海量的实测数据统计分类,提出了力学量纲分析的建模方法,并应用于盾构掘进载荷的反演识别研究.     

考虑参数随机性的压实黄土蠕变变形不确定性分析

现有蠕变模型的计算值为确定值,未能考虑岩土材料和参数评估过程中的随机性。为反映岩土材料的变形随机特性,基于多次重复的一维固结蠕变试验,本文研究了分级和分别加载条件下压实黄土的蠕变特性,建立了考虑参数随机性的改进Merchant模型,提出了一种蠕变变形的不确定性预测方法,并通过延安高填方工程进行了验证。结果表明,压实黄土具有明显的衰减蠕变特性,引入非线性元件的Merchant模型能更好描述土体的应变时间关系,考虑参数随机性的模型计算值近似服从正态分布;通过不确定性预测方法可以获得蠕变变形值的概率云图,且工程实测蠕变变形值落在预测范围的95%的置信区间内,说明了考虑参数随机性的蠕变变形不确定性预测方法的有效性。     

粘弹性模型在木材蠕变中的应用

本文是根据短时间的木材弯曲蠕变实验曲线来确定粘弹性模型元件数和元件常数的探讨.通过核桃楸试件三点弯曲蠕变的实验研究表明:实测蠕变曲线与模型的计算曲线有较高的拟合度.因此我们认为在木材物性研究上或在工程应用上可以采用粘弹性模型元件常数.而且在各树种和环境条件下,一旦确定了适合其蠕变的元件数和元件常数,就将和力学性质中的常数一样,来表示蠕变度量,这将给木材的蠕变研究和木材的应用带来很大方便.     

一种新的岩石非线性损伤蠕变模型

为描述岩石加速蠕变阶段的非线性变形规律,在广义开尔文体基础上串联一个村山体,基于Kachanov损伤率理论,建立了损伤变量D与蠕变时间的函数关系,并根据Lemaitre应变等效原理将村山体中的无损模型参数p用有效模型参数p(1-D)代替,以此来表征岩石加速蠕变阶段的非线性,建立了一种新的非线性损伤蠕变模型;根据广义塑性力学理论给出了该模型的三维蠕变方程;采用Levenberg-Marquardt非线性优化最小二乘法对红砂岩和绿片岩常规三轴压缩蠕变试验数据进行拟合,反演得到这两种岩石的蠕变模型参数。拟合结果表明:拟合曲线与试验曲线的拟合相关系数R2分别为0.999和0.992,说明该蠕变模型能较好地反映这两种岩石各阶段的蠕变曲线特征。     

分级加卸载硬岩短时蠕变特性实验研究

由单向抗压强度实验及8级加卸载短时蠕变实验,得到蠕变下限为27MPa的细砂岩试样典型的坚硬岩石脆性断裂特征.应力-应变等时曲线线性回归函数的相关系数均高于0.92,长期强度与瞬时强度之比达94.39%,证明细砂岩试样的整体蠕变特性不强.应力-轴向应变等时曲线线性回归函数的平均相关系数高出应力-径向应变等时曲线线性回归函数的平均相关系数3.92%,因此其轴向非线性蠕变特性相对于径向非线性蠕变特性更弱.随着时间延续,细砂岩试样的非线性蠕变特性总体服从负Gauss分布规律,具有明显的时间效应.随加载应力水平的提高,应力-轴向应变等时曲线和应力-径向应变等时曲线线性拟合函数的平均相关系数下降幅度分别为0.97%和0.67%,线性相关性普遍降低.所以细砂岩试样的非线性蠕变程度随加载应力水平的提高而提高,载荷效应明显.     

基于Burgers模型考虑损伤的岩石蠕变全过程研究

岩石蠕变是一个显著的非线性问题，而经典的Burgers 模型是一种线性蠕变模型，必然不能全面地描述岩石蠕变的全过程．当岩石处于高应力水平下的加速蠕变阶段，岩石内部损伤会不断产生和累积，蠕变呈现出明显的非线性特征．为了更好地描述考虑损伤的岩石蠕变全过程，本文假定加速蠕变阶段的损伤演化方程，将损伤引入到Burgers 模型中，提出了一种非线性蠕变损伤模型．然后以乔后盐矿试件蠕变实测数据为分析案例，验证模型在应用于实际工程时的准确性和适用性．最后根据Origin 软件数值拟合的结果，表明本文所提出的非线性蠕变损伤模型能很好地描述岩石蠕变全过程，模型参数取值也在合理范围之内，模型拟合曲线与实验所得数据具有较好的一致性．     

一种用于P92钢寿命预测的蠕变模型研究

首先分别在595℃、610℃、670℃下进行了P92钢的单轴蠕变拉伸实验。结果表明:当实验温度高于600℃时,应力和应变在双对数坐标下呈现非线性特征,蠕变过程无法通过Norton指数模型进行描述。为了进一步解决高温下蠕变寿命的计算和预测问题,本文提出了一种改进的蠕变本构模型;并在此基础上,引入损伤变量描述第三阶段蠕变。利用新的蠕变模型对P92钢在595℃、610℃温度条件下的蠕变过程进行了模拟,结果表明模型预测的蠕变寿命和实验值误差在5%之内,符合工程评估要求。     

尼龙6/蒙脱土复合材料蠕变行为研究

针对经典黏弹性模型不能很好分析黏弹性材料的蠕变行为问题,运用分数阶导数的类标准线性体模型与Prony级数模型研究了黏弹性材料尼龙6/蒙脱土复合材料的蠕变行为.采用原位聚合法制备了尼龙6/蒙脱土复合材料,在室温环境下对其进行蠕变实验.然后运用分数阶导数的类标准线性体模型和Prony级数模型对复合材料的蠕变实验数据进行分析...     

基于时序参数法的BFRP蠕变行为预测

本文研究了基于时序参数法的玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)板弯曲蠕变行为．为了提高模型理论预测的精度,文中将整个实验时长的数据进行了合理的细化分组,且每组时长尽可能相同,然后对细化分组的数据组分别进行直接外推法拟合,得到各数据组对应的拟合方程参数,最后获得了BFRP板弯曲蠕变行为的理论预测模型．对比模型预测值和实验值可以发现：模型预测值随着时间的增长,越来越接近于实验值,最后二者的相对误差几乎为零．该结果表明：文中建立的蠕变预测模型具有足够高的精度,可以应用于BFRP的蠕变行为的预测．     

基于改进西原模型巷道围岩流变参数反演分析

当应力达到一定水平时,岩石经过衰减和稳定蠕变过程之后会发生加速蠕变破坏,但是传统西原体模型无法更有效地反映该加速蠕变阶段。为了解决这一问题,引入一个非线性流变元件,并将其串联在西原体模型上,组成一个新的六元件模型,该模型可充分反映岩石蠕变的三个阶段。基于改进的西原体模型本构方程,应用Laplace变换,得到了盾构圆形巷道围岩的径向位移变化规律;根据巷道围岩收敛变形现场实测数据,反演得到了岩石黏弹塑性蠕变参数;由巷道围岩径向位移计算结果和实测数据对比分析表明:两者吻合较好;当t25 d时,巷道围岩处于加速变形阶段,其径向位移变化速率随时间的增长而不断增加,当t 25 d时,巷道围岩进入稳定变形阶段,随时间的推移,其径向围岩位移变化速率逐渐趋于稳定。     

砂岩短时单轴直接拉伸蠕变特性试验研究

采用自行设计加工的挂重型岩石材料直接拉伸装置,对重庆市某地红砂岩进行了短时分级加载单轴直接拉伸蠕变试验,并对该砂岩的蠕变特性进行了分析。结果表明,砂岩在该试验条件下具有明显的蠕变特性,其蠕变表现为衰减蠕变和稳态蠕变两个阶段,砂岩蠕变量与稳态蠕变速率随着荷载的增加而增加。应用三参量广义Kelvin模型与Burgers蠕变模型描述该砂岩的蠕变规律,结果表明,两个模型均可以准确描述该砂岩的蠕变特性,其中,Burgers蠕变模型效果更佳。本文所得结论可为从事相关研究的工作人员提供一定的借鉴。     

IMPROVED BINGHAM RHEOLOGICAL MODEL AND ITS PARAMETER IDENTIFICATION

传统宾汉姆流变模型不适于描述岩石蠕变的非线性衰减和加速阶段.本文提出一种非线性的改进模型,引入作用函数表征衰减蠕变阶段,引入非线性黏性元件与传统模型串联表征岩石的加速蠕变阶段.通过对绿片岩和砂岩蠕变实验数据进行非线性拟合得到模型参数,与实验曲线的对比分析表明了改进的效果及改进模型的合理性.     

饱和砂性土流变模型的试验研究

正确合理的土体本构模型确定是地面沉降模拟的关键之一。上海和江苏地区多年来野外分层标的实际观测资料表明该区含水层系统砂层变形具有流变特征,表现出变形滞后于含水层水位变化的现象。本文基于粘弹性理论,选取了常州含水层系统原状砂性土样进行单轴压缩试验,分析了砂性土流变荷载曲线,并选择现有的相关本构模型进行识别,从而确定能更好反映研究区土体变形规律的流变模型。结果表明,研究区砂性土可采用Burgers模型进行描述,反演获得的4个流变参数随荷载的增加表现出一定的规律性。     

Transient and steady-state nanoindentation creep of polymeric materials

The transient and steady-state nanoindentation creep of polymeric materials was investigated. The creep model is used to explain the experimental data of transient and steady-state creep dominated by viscoelastic deformation and power-law creep deformation, respectively. The Burgers viscoelastic model was used to interpret the transient creep in polymers under nano-indentation. Explicit expression for the displacement of transient creep was derived using the correspondence principle of linear viscoelasticity theory. The power law of strain rate-stress relation was used to explain the creep displacement during the steady state. Three polymers of poly(methyl methacrylate), hydroxyethyl methacrylate copolymer, and the fast-cure acrylic resin were used to measure the nanoindentation creep. The transient creep data are in good agreement with the predictions from the Burgers viscoelastic model. The creep displacement is mainly attributed to the viscous flow of the Kelvin element, and the computed values of viscosities (η_1,c, η_2,c) increase with decreasing preloading rate. By comparing the steady-state creep data with the power law of strain rate-stress relation, the stress exponents for the above polymeric materials were quantitatively determined.     

Creep performance of PVC aged at temperature relatively close to glass transition temperature

In order to predict the mechanical performance of the polyvinyl chloride(PVC) at a high operating temperature,a series of short-term tensile creep tests(onetenth of the physical aging time) of the PVC are carried out at 63 C with a small constant stress by a dynamic mechanical analyzer(DMA).The Struik-Kohlrausch(SK) formula and Struik shifting methods are used to describe these creep data for various physical aging time.A new phenomenological model based on the multiple relaxation mechanisms of an amorphous polymer is developed to quantitatively characterize the SK parameters(the initial creep compliance,the characteristic retardation time,and the shape factor) determined by the aging time.It is shown that the momentary creep compliance curve of the PVC at 63 C can be very well fitted by the SK formula for each aging time.However,the SK parameters for the creep curves are not constant during the aging process at the elevated temperatures,and the evolution of these parameters and the creep rate versus aging time curves at the double logarithmic coordinates have shown a nonlinear phenomenon.Moreover,the creep master curves obtained by the superposition with the Struik shifting methods are unsatisfactory in such a case.Finally,the predicted results calculated from the present model incorporating with the SK formula are in excellent agreement with the creep experimental data for the PVC isothermally aged at the temperature relatively close to the glass transition temperature.     

高应力高水压下砂岩三轴蠕变特性试验研究

对砂岩进行高围压高水压条件下的三轴压缩蠕变试验。试验表明,在整个加载过程中,孔隙水压力主要起到增强轴向变形和横向变形的作用;但在加载的初始阶段,孔隙水压力在一定程度上抑制了轴向变形。当应力水平高于屈服应力时,横向蠕变速率明显大于轴向蠕变速率,且横向蠕变率先进入加速蠕变阶段。本文提出一个新的非线性黏性元件,并引入一个能判断是否进入加速蠕变阶段的计时器元件,组建一个非线性黏塑性加速蠕变启动模型,将该黏塑性模型与Burgers模型串联,构建一个新的非线性黏弹塑性蠕变模型,推导了该模型在常规三轴应力状态下的本构方程。基于试验结果,通过对非线性优化算法(BFGS)的Matlab编程,实现对本文提出蠕变模型的参数识别,识别效果比较理想。对比试验曲线与拟合曲线,二者相当吻合,验证了新提出的非线性黏弹塑性蠕变模型的正确性。     

一种新的岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究

为了克服传统元件组合模型不能描述岩石蠕变过程中非线性特征的缺陷，首先根据加速蠕变阶段的应变和应变率随蠕变时间急剧增大的特点，建立黏塑性应变与蠕变时间的指数函数关系并提出非线性黏塑性体．将该非线性黏塑性体与广义Burgers蠕变模型串联，建立可以描述岩石全蠕变过程的非线性黏弹塑性蠕变模型，根据叠加原理得到一维应力状态下的轴向蠕变方程．然后基于塑性力学理论指出岩石三维蠕变本构方程建立过程中的不足之处，并给出非线性黏弹塑性蠕变模型合理的三维蠕变方程．最后采用不同应力水平下砂岩轴向蠕变试验对模型合理性进行验证，结果表明：拟合曲线与试验曲线吻合度较高，所建蠕变模型能够很好地描述砂岩在不同应力水平下的蠕变变形规律，尤其对加速蠕变阶段的非线性特征描述效果很好，验证了模型的合理性．     

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。     

高地应力围岩流变特性及竖井长期稳定性分析

基于自行研制的重力加载流变仪,采用多级加载对4种典型矿岩开展了三点弯曲蠕变试验研究,获得了蠕变试验曲线. 将Burger's模型与Mohr-Coulomb准则相结合,形成改进的Burger's模型. 并通过最小二乘法对均质混合岩进行蠕变参数拟合,获得了与蠕变试验曲线相吻合的蠕变理论曲线. 结果表明改进的Burger's模型能较好地描述均质混合岩的蠕变特性. 在此基础上,采用该流变模型,对返修后的竖井工程进行三维流变数值模拟和稳定分析,为竖井工程的长期稳定预测和失稳风险预测提供了理论依据.