N330炭黑增强天然橡胶材料力学性能的实验研究

为了研究炭黑对橡胶材料力学性能的影响,对9种不同体积含量的炭黑填充橡胶材料进行了准静态力学实验研究。利用循环拉伸加卸载实验分析了炭黑对橡胶Mullins效应及能量损耗的影响,通过单轴拉伸实验研究了炭黑对橡胶材料刚度和起始模量的影响,采用多步松弛拉伸加卸载实验研究了炭黑对橡胶材料应力行为的应变历史相关性的影响。实验结果表明:炭黑填充量越高,橡胶材料的刚度越大,初始模量越大,Mullins效应也越明显;随着炭黑填充量的增加,橡胶在加卸载循环中所产生的迟滞损耗、Mullins效应相对能量损耗以及残余应变都呈现出非线性增长趋势;随着炭黑填充量的升高,橡胶在加卸载过程中的应力松弛现象越明显,其平衡态迟滞损耗以及与时间相关部分的迟滞损耗也越大。     

裂隙挤喷流对孔隙介质排水体积模量的影响

实际岩石比如沉积形成的岩石往往是裂隙和孔隙并存的孔隙介质. 由于扁状的裂隙与近似球形或圆管形的孔隙具有不同的可压缩性,当孔隙介质受压时,液体会从易压缩的裂隙中挤出流入不易压缩的孔隙中,这种挤喷流会引起弹性模量的频散和能量的耗散. 着重研究了裂隙挤喷流和液体可压缩性对孔道变形的影响,推导出了动载荷作用下排水体积模量的表达式. 与挤喷流相关的裂隙附加柔度会引起排水体积模量随频率变化,使得孔隙介质呈现黏弹性. 频率越高,模量的实部越大,岩石抵抗变形的能力越强. 而模量的虚部体现了挤喷流对能量的耗散. 裂隙密度主要决定模量频散的幅度以及能量耗散的强度,且裂隙密度越大,模量频散幅度越大,能量耗散也越强. 裂隙的纵横比主要决定模量频散速率最快或能量耗散最强时对应的特征频率. 若孔隙介质中不含有裂隙,即裂隙密度是0时,排水体积模量退化为Biot理论中的排水体积模量.     

弹簧-金属丝网橡胶组合减振器迟滞力学模型及实验研究

金属丝网橡胶材料是一种完全由金属丝编织成的多孔复合材料,与传统螺旋卷制金属橡胶材料相比,其改进了成型工艺,剔除了制备过程中大量的手工工艺干扰,提高机械化程度,重合度更高,拥有更稳定的力学性能.由于金属丝网橡胶材料具有承载能力高、阻尼大、耐高温、耐低温、耐老化、抗油抗腐蚀等优良特性,在很多方面强于传统橡胶,多用于航空航天、船舶、军事武器等军工工业.弹簧$\!$-$\!$-$\!$金属丝网橡胶组合减振器具有可设计刚度和较高承载能力,但因其具有复杂的非线性迟滞特性,目前相关材料的本构模型还难以准确描述其力学特性.本文在弹簧$\!$-$\!$-$\!$金属丝网橡胶组合减振器静态迟滞力学性能实验的基础上,结合其干摩擦阻尼迟滞特性,提出了一种迟滞力学性能理论模型.根据减振器迟滞实验恢复力$\!$-$\!$-$\!$位移曲线特点,利用参数分离的方法将迟滞曲线分解为弹性恢复力和干摩擦阻尼力,分别建模求解等效刚度和干摩擦阻尼系数,以此建立了组合减振器理论模型,并与实验结果进行对比及进行误差分析,验证了理论模型的准确性.      

弹簧-金属丝网橡胶组合减振器迟滞力学模型及实验研究

金属丝网橡胶材料是一种完全由金属丝编织成的多孔复合材料,与传统螺旋卷制金属橡胶材料相比,其改进了成型工艺,剔除了制备过程中大量的手工工艺干扰,提高机械化程度,重合度更高,拥有更稳定的力学性能.由于金属丝网橡胶材料具有承载能力高、阻尼大、耐高温、耐低温、耐老化、抗油抗腐蚀等优良特性,在很多方面强于传统橡胶,多用于航空航天、船舶、军事武器等军工工业.弹簧-金属丝网橡胶组合减振器具有可设计刚度和较高承载能力,但因其具有复杂的非线性迟滞特性,目前相关材料的本构模型还难以准确描述其力学特性.本文在弹簧-金属丝网橡胶组合减振器静态迟滞力学性能实验的基础上,结合其干摩擦阻尼迟滞特性,提出了一种迟滞力学性能理论模型.根据减振器迟滞实验恢复力-位移曲线特点,利用参数分离的方法将迟滞曲线分解为弹性恢复力和干摩擦阻尼力,分别建模求解等效刚度和干摩擦阻尼系数,以此建立了组合减振器理论模型,并与实验结果进行对比及进行误差分析,验证了理论模型的准确性.     

不同围压下C60混凝土三轴压缩过程能量分析

针对复杂应力状态下高强混凝土受压变形破坏过程中的能量演化机制问题,开展不同围压下C60高强混凝土试样三轴压缩试验,分析其在受力全过程中的变形与破坏特征。根据试验结果,探究了不同围压下高强混凝土三轴压缩过程能量演化机制。研究结果表明:围压越大,混凝土试样破坏时,其峰值应力与峰值应力对应的轴向应变越大,破坏形式由张拉破坏向剪切破坏过渡;峰值应力前,混凝土试样主要以弹性应变能储存为主,峰值应力对应的输入能密度和耗散能密度均随围压的增大而增大,且均与围压满足指数函数关系,其形状改变系数FX与轴向应力呈正比关系,体积改变系数FV与轴向应力呈反比关系;达到峰值应力时,体积改变系数FV小于形状改变系数FX;峰值应力后,主要以弹性应变能释放为主,并随着混凝土试样的破坏转化为各种形式的能量耗散。研究结果可为今后从能量角度研究高强混凝土本构关系提供有益参考。     

层间隔震结构的能量平衡

从能量观点出发,引入设计用能量谱的概念,分析了地震输入能量在层间隔震结构中的分配和耗散。推导出了基于能量平衡的层间隔震结构的隔震层总剪力、最大变形以及基底剪力的地震响应预测式,分析了隔震层刚度、阻尼以及隔震层的设置位置等参数对层间隔震结构减震性能的影响,并阐明了其自身的减震控制机理。研究表明,基于能量平衡的分析方法是一种预测层间隔震结构地震响应和评价其减震性能的有效手段。     

基于能量耗散的岩石脆性评价方法

脆性评价是页岩气钻井以及压裂工艺设计的重要环节.然而,现今对于脆性的定义十分模糊,且脆性评价的方法没有成熟的理论作为支撑.本文以岩石应力应变关系为基础,采用能量法来进行储层岩石脆性评价.根据断裂力学裂纹尖端的非线性场理论,以前端区作为尖端特殊的屏蔽构型,来描述储层岩石在断裂过程中能量的耗散. 通过计算本征内聚力与前端区稳态阻力比值来表征储层岩石的脆性指数. 研究表明,能量耗散相对越大,岩石的脆性指数越低,其塑性特征表现得越明显. 基于能量耗散的储层岩石脆性评价是分析岩石力学特性的重要内容,也为压裂选层提供了重要依据.      

饱水对煤层顶板砂岩单轴压缩破坏能量影响的分析

为研究饱水对砂岩力学参数和能量特征的影响,利用RMT-150B岩石力学系统对煤层顶板砂岩自然和饱水试样进行单轴压缩试验。试验结果表明:饱水对砂岩试样的强度和变形参数均有不同程度的影响,软化系数为0.79,弹性模量降幅为5.25%,变形模量降幅为5.92%;饱水后砂岩试样峰值前吸收能量、可释放弹性能和耗散能均有不同程度降低,吸收能量降幅36.8%,可释放弹性能降幅为34.4%,耗散能降幅为57.7%;饱水后砂岩储蓄能量的能力有较大减弱,脆性减弱,塑性明显增强;饱水砂岩试样压缩过程中积蓄可释放能难以使试样滑移破坏,仍需要吸收部分能量使试样逐步失稳破坏;饱水对砂岩试样压缩过程吸收能量、可释放能量比例关系的影响较小,而对耗散能比例关系的影响较大;自然状态下砂岩试样峰值前相同应变条件下吸收能量、可释放能均明显高于饱水试样对应能量值;深部巷道位置确定和支护设计时应充分考虑水对巷道围岩弱化的影响,对于完整坚硬围岩采用高压注水软化可有效防止冲击地压发生和减缓灾害程度。     

绕丝加固预损钢筋混凝土柱的抗震性能试验研究

对4根钢筋混凝土柱进行了模拟地震的预损伤、预损伤后绕丝加固和加固后的低周往复荷载破坏试验,研究了绕丝加固地震损伤钢筋混凝土柱的抗震性能。根据试验数据分析了试件的承载力、延性性能、刚度退化及耗能能力。试验结果表明:经过绕丝加固修复后的预损伤试件,其延性性能和极限位移得到了明显提高;钢筋混凝土柱的预损伤程度对预损伤后的加固效果有重要影响。在轻度损伤程度情况下,绕丝加固柱恢复并超过受损前的抗震性能;预损伤越大的柱经绕丝加固后其延性、耗能能力、刚度和承载力越小。     

SHEAR TEST AND FINITE ELEMENT SIMULATION OF POLYURETHANE POLYMER GROUTING MATERIALS1)

通过扭转试验对高聚物注浆材料剪切性能进行试验研究,并在扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM) 下观测了试件断面处胞体形状破坏特征,在此基础上通过有限元数值模拟,对其剪切变形力学响应特征及剪应力分布规律进行了研究。结果表明：密度对高聚物材料的剪切强度及剪切模量影响显著,且随着高聚物材料密度的增加,其剪切强度和剪切模量被显著提升;高聚物材料胞体分布遵循能量最低原理,密度越大,胞体表面积越小,表面能越小,体系越稳定;面心立方体堆砌模型可以较好模拟材料剪切变形行为,且密度越大,拟合效果越好。     

圆钢管型钢再生混凝土短柱偏压力学性能退化研究

为研究圆钢管型钢再生混凝土短柱在偏压荷载作用下的性能退化,进行了10个短柱试件偏心受压试验。主要分析了再生粗骨料取代率、圆钢管径厚比、型钢配钢率和偏心距等参数对试件的荷载-挠度曲线、变形能力、刚度退化及耗能能力的影响。结果表明:该短柱具有较高的承载力和抗弯刚度;与普通混凝土相比,取代率的增加对短柱的承载力和变形是不利的,试件的挠度变形随着取代率的增加而增大,再生粗骨料取代率为100%的试件偏压承载力降低了8.98%,试件刚度退化速率随着取代率的增加而加快,耗能能力逐渐降低;试件的挠度变形随着圆钢管径厚比的增大或型钢配钢率的减小而增大;试件刚度退化速率随圆钢管壁厚、型钢配钢率的增加逐渐变慢,耗能能力增强;另外,偏心距对试件偏压性能影响较为显著,随着偏心距的增大,试件刚度退化和承载力降低更加明显。     

采动区建筑物抗变形隔震装置的力学性能分析

介绍了采动区建筑物抗变形隔震装置的基本构成,并基于地震工程学和开采沉陷学的原理对抗变形隔震支座进行了理论分析,通过实验对采动区抗变形隔震支座在低周反复荷载作用下的滞回耗能特性进行了分析。结果显示,在低周循环荷载作用下采动区抗变形隔震支座的滞回耗能曲线饱满,表明其良好的自复位、耗能能力和变形能力大、稳定的滞回性能等特点,说明抗变形隔震支座的传力机制明确、构造比较合理。隔震支座充分利用了铅芯橡胶、粘滞阻尼器和蝶形弹簧三种不同的耗能材料和耗能机制,其适宜的水平隔震刚度和阻尼耗能性能、竖向能够抵抗不均匀沉降,充分体现了其良好的整体稳定性。该抗变形隔震支座有效的改善了采动区建筑抵抗煤矿采动损害和震害的能力,为采动区建筑物保护提供科学方法和依据。     

大环径比O形金属橡胶密封件的疲劳力学特性及试验研究

金属橡胶内部线匝之间相互咬合钩联,形成非常复杂的空间网状结构,是一种累积损伤的材料,而金属橡胶密封件除了内部线匝还有外包覆,因此常规金属疲劳理论无法适用. 以O形金属橡胶密封件作为研究对象,搭建疲劳损伤试验,选取耗能ΔW,损耗因子η和损伤因子D作为疲劳损坏评判指标,开展大环径比O形金属橡胶密封件疲劳寿命性能研究和疲劳寿命试验,采用控制变量法研究加载振幅、激振频率、孔隙度对金属橡胶疲劳磨损和疲劳寿命的影响. 研究结果表明:金属橡胶密封件的迟滞回线呈现明显的“柳叶状”,并且在15万次振动周期前耗能能力有所下降;金属橡胶密封件的刚度随着孔隙度的减小而增加,试验样件的疲劳损伤随着孔隙度的减小而增加;加载振幅的增加会不同程度地加剧金属橡胶密封件的疲劳磨损,试验内容填补了O形金属橡胶密封件疲劳寿命性能研究的空白,为金属橡胶密封件的疲劳寿命研究提供一定的基础.      

角钢约束混凝土中长柱轴压力学性能试验及承载力计算

为了研究角钢约束混凝土中长柱在轴压荷载作用下的力学性能,以长细比、缀板间距、混凝土强度等级为变化参数,完成了8个试件的静力加载试验。通过试验观察了试件的破坏形态,获取了其极限承载力、刚度、位移延性和耗能系数等力学性能指标;分析了各变化参数对力学性能指标的影响,利用统一强度理论、极限理论和叠加理论对试件的承载力进行计算。研究结果表明:长细比越小越容易发生柱端破坏,长细比加大后易发生柱中破坏;减小缀板间距,试件的极限承载力和变形能力均得到提高。随着混凝土强度等级的提高,试件的极限承载能力和初始弹性刚度得以提高,但位移延性和耗能能力有所降低。采用统一强度理论的计算值略大于试验值,采用极限分析理论和叠加理论的计算值均小于试验值。     

基于概率密度演化理论的LRB隔震支座时变可靠度研究

铅芯橡胶隔震支座LRB （Lead Rubber Bearing）的等效水平刚度是隔震建筑物的重要力学指标，橡胶材料由于其复杂活跃的化学组分，在使用过程中极易发生老化，是LRB支座中随时间变化的活跃因素。考虑铅芯橡胶隔震支座中橡胶材料退化的时变性和随机性，引入时变变异系数。基于概率密度演化方法，得到LRB支座等效水平刚度的概率密度演化曲线和时变可靠度。结果表明，随着时间的增长，支座等效水平刚度产生增大的趋势，支座的可靠度发生非线性降低，老化对支座等效水平刚度的离散性产生了明显的影响。     

四种不同约束形式隔板式铅耗能器的试验研究

铅耗能器主要利用金属铅塑性耗能,是一种构造简单、耗能性能优良而又经济的耗能减震元件。本文提出了一种隔板式铅耗能器。根据其构造和耗能原理,设计了四种不同约束形式的耗能元件,并通过EHF-EM电液伺服疲劳试验机进行了低周循环试验,分析了这四种约束形式对隔板式铅耗能器的力学性能与耗能性能的影响,揭示了其耗能机制。研究结果表明:隔板式铅耗能器主要具有屈服位移小、造价低廉、构造简单、工作性能稳定、耗能性能优良的特点,在建筑结构和大型机械减振控制方面具有广泛的应用前景;对比分析表明,其中B型耗能器力学性能尤为优越,耗能能力大且随位移增大刚度增强,同时对结构振动还具有限位功能。     

Design,Manufacture, and Quasi-Static Testing of Metallic Negative Stiffness Structures within a Polymer Matrix

A composite material system comprised of a monostable negative stiffness (NS) structure within a polymer matrix was designed, fabricated, and experimentally evaluated. The monostable negative stiffness (NS) structure was designed using a combination of analytical and numerical models and manufactured in stainless steel. The NS structure was arranged in parallel with different polymer matrices to experimentally evaluate the effects of the matrix properties on the overall stiffness and energy dissipation of the composite NS-matrix system when loaded in uniaxial compression. A strong influence of the matrix properties on the stiffness and energy absorption capacity of the composite system was observed. Unlike conventional composites for which there is a natural tradeoff between stiffness and energy absorption capacity, the composite NS-matrix system enhanced stiffness while simultaneously improving energy absorption relative to a neat matrix, but only when the stiffness of the matrix was carefully matched to the stiffness of the NS structure.     

基于等效阻尼理论的金属橡胶弹性迟滞力学模型及实验研究

针对弹性多孔金属橡胶非线性迟滞特性力学行为,将迟滞恢复力-位移曲线分解为非线性单值曲线和椭圆,并将等效阻尼理论用于动态力学性能参数识别,从而建立了一种新型的适用于黏弹性阻尼材料的宏观唯象力学模型。采用不同相对密度的环形金属橡胶进行动态实验测试,以验证理论模型的准确性,结果表明该模型可将具有非线性特性的金属橡胶系统进行降阶处理,提高金属橡胶力学模型的预测效率,并能很好地描述金属橡胶的迟滞力学行为。另外,研究了在不同激励频率条件下金属橡胶的阻尼耗能特性。实验结果表明:在高频加载的条件下,黏性阻尼系数对动态加载频率不敏感,阻尼耗能与加载幅值之间呈线性正相关。基于等效阻尼理论的弹性迟滞力学模型具有一定的普适性,可进一步推广应用于类似弹性多孔材料的力学性能表征,为其工程应用提供理论基础。