含瓦斯煤单轴压缩的尺度效应实验研究

含瓦斯煤与其它岩石类材料一样，在力学特性等方面具有尺度效应。利用特制的饱和加压装置和电子万能试验机，对不同尺度、不同饱和瓦斯压力下的煤样进行了单轴压缩试验，探讨了煤样变形破坏及强度特性的变化规律。分析表明，煤样抗压强度、弹性模量随瓦斯压力的增大而减小，抗压强度随高径比的增加明显减小，弹性模量随高径比的增加略有提高。利用Weibull模型和线弹性强化理论对含瓦斯煤产生尺度效应的原因进行了合理地解释，为含瓦斯煤样尺度效应在强度表征等方面的深入研究提供了新的实验和理论依据。     

一种新型爆炸膨胀环实验装置

传统爆炸膨胀环实验装置采用两端点起爆,爆轰波对碰后加载驱动器的方式,出现试样环加载后侧向翻转、实验重复性差等问题.本文改进传统爆炸膨胀环实验装置中的起爆方式,研制了一种新型爆炸膨胀环实验装置.新起爆方式采用轴心爆炸丝同步线起爆,在驱动器内形成理想的柱面冲击波,有效避免了试样环受冲击后发生侧向翻转,实现了金属试样环的稳定拉伸加载,实验效率得到大幅提高.     

煤在瓦斯一维渗流作用下的初次破坏

作者观察了煤在瓦斯一维渗流作用下的初次破坏,发现破坏煤体呈球冠状;临界破坏瓦斯超压取决于卸载条件,煤型的强度、半径和长度,以及煤型所受的侧压,但与瓦斯吸附特性无关。对实验例进行了数值分析,结果表明煤体的破坏属于拉伸破坏;卸载速率的增高,侧向围压的减小与煤型几何半径的增大将使得煤体在瓦斯渗流作用下更易于破坏。     

实现材料高应变率拉伸加载的爆炸膨胀环技术

设计了新型的爆炸膨胀环实验加载装置，加载装置中采用爆炸丝线起爆方式，避免了传统装置中对碰爆轰波加载时的应力不均匀性。利用新型的爆炸膨胀环实验技术研究了无氧铜材料的动态性能，利用激光位移干涉仪测量了试样环的径向速度历史，处理数据获得了无氧铜材料的流动应力-塑性应变-应变率的关系，为进一步利用爆炸膨胀环实验技术研究材料在高应变率拉伸加载时的本构关系奠定了基础。     

内埋炸药下超高韧性水泥基复合材料的抗爆性能

为研究超高韧性水泥基复合材料(ultra-high toughness cementitious composites, UHTCC)在内埋炸药爆炸下的抗爆性能和损伤破坏规律,对不同炸药埋深下的UHTCC和高强混凝土(high-strength concrete, HSC)进行了内埋炸药抗爆实验。得到了两种材料靶体的破坏状态,并利用接触爆炸的实验结果计算出了两种材料的抗爆性能参数。结果表明,在相同条件下,UHTCC抗爆性能优于高强混凝土。为了进一步探究UHTCC的抗压强度、抗拉强度以及拉伸韧性对靶体在内埋炸药下抗爆性能的影响,首先,采用改进的K&C模型对炸药埋深为40 mm的超高韧性水泥基复合材料靶体进行数值模拟,模拟结果与实验结果基本吻合,并根据数值模拟的结果得到了爆炸冲击波沿靶体径向衰减速度大于轴向衰减速度这一规律,验证了数值模型的有效性;然后,通过调整改进K&C模型中与抗压强度、抗拉强度以及拉伸韧性相关的参数,数值预测了不同抗压强度、抗拉强度以及拉伸韧性下UHTCC靶体的破坏状态,发现增强UHTCC的韧性可以有效防止靶体发生整体性破坏,增大UHTCC的抗拉强度可以减小靶体迎爆面的开坑直径,增大UHTCC的抗压强度对减小开坑直径效果不明显。     

环咽肌压力测量及扩张治疗装置的设计开发与实验验证

针对环咽肌失弛缓导致的吞咽障碍难以精确评价和准确治疗的问题,以超弹性膨胀气囊受力变形分析为基础,设计开发了环咽肌压力测量及扩张治疗装置。研究表明,膨胀气囊外部压力与充气体积、气囊内压、材料性能、结构尺寸存在着明确的非线性关系,进而利用多元回归分析确定治疗装置中膨胀气囊外部压力(环咽肌对气囊压力)与气囊内压、加压容器体积改变量之间的函数关系式,将环咽肌压力测定转化为充气压力与体积的测量问题。力学验证实验表明,环咽肌压力测量及扩张治疗装置简单可靠、测量结果准确有效,可用于环咽肌失弛缓吞咽障碍程度的精确评定,并为患者提供准确的、个性化的治疗方案。     

液压膨胀环动态拉伸碎裂的有限元模拟

液压冲击膨胀环实验平台能有效地实现韧性金属圆环在高应变率拉伸载荷作用下的动态断（碎）裂。本文采用流固耦合的有限元数值计算方法，模拟了实验过程中金属圆环在高压液体作用下的运动、变形和断裂现象。分析了装置和试件的接触应力对试件碎裂过程的影响并讨论了如何实现液压对试件的有效加载。计算结果表明，实验中的初始接触应力和液体的较长时间加载对试件的碎裂过程没有显著影响；在合理的加载条件下，液压膨胀环实验技术是研究固体动态拉伸碎裂的有效手段。     

单纤维微拉伸力学性能测试与分析

针对微尺度材料力学性能测试与尺度效应实验研究的需要,自行研制了一台FMT-I型高精度纤维材料微拉伸力学性能实验装置,并基于LabVIEW软件平台开发了相应的数据采集与控制系统,实现了测试过程的全自动化。该装置的测力传感器由非接触式激光位移传感器和两端固定的薄梁组成,可同时测量试样的拉伸力和上夹持端的位移量,帮助精确地获取试样的载荷-变形曲线。采用该装置对微米级直径的多晶铜丝、316L不锈钢纤维和T300碳纤维进行了拉伸测试。实验结果表明,直径为18～105μm多晶铜丝的拉伸力学行为并无明显的尺度效应;多晶铜丝和316L不锈钢纤维的弹性模量分别在43.9～60.0GPa和102.9～111.5GPa之间,均低于宏观尺度下材料的弹性模量;316L不锈钢纤维的抗拉强度和延伸率随着丝径的减小而降低;T300碳纤维的弹性模量为235.4±12.4GPa,抗拉强度为3238.2±280.8MPa,断裂应变约为1.5%。另外,相同的细铜丝材料的测试结果与Instron5848型商用拉伸试验机的测试结果进行了对比,吻合良好。通过系统的实验分析表明,该装置具有较高的精度和稳定性,适用于各种纤维材料的拉伸力学性能测试。     

液压膨胀环恒应变率加载技术

膨胀环实验技术主要包括爆炸膨胀环实验技术和电磁膨胀环实验技术，实验过程中膨胀环的加载应变率在达到峰值后会随着圆环的膨胀而迅速降低，给研究应变率敏感材料的拉伸碎裂带来极大的不便。在前期提出的液压膨胀环实验技术的基础上，发展了一种恒应变率加载技术。首先，从理论上获得了实现金属圆环恒应变率膨胀所需的液压加载曲线的近似表达式；然后，采用有限元流固耦合数值模拟了液压膨胀环装置中1060-O铝环的膨胀碎裂过程，在给定液压加载曲线下，膨胀环的环向应变率在应变率稳定阶段上下波动范围最大不超过20%；并进一步研究了加载曲线对碎裂过程中应变率的影响规律。在液压膨胀环实验装置上对1060-O铝环开展了膨胀环实验，验证了恒应变率加载技术的可行性。     

动物膝关节损伤与破坏机理的力学基本性能研究

为了了解包括人在内等动物膝关节的损伤与破坏机理，对狗膝关节分正常对照、弯月形韧性弹性垫切除和移植三组，每组五个试件进行了弯曲、冲击和压缩的力学基本性能实验。此外还对膝关节铰中的弯月形韧性弹性垫进行了拉伸实验。实验揭示的现象和获得的数据，对动物膝关节的损伤与破坏机理，病理和防治等的进一步研究，以及人工假膝关节的设计提供了有价值的参考。     

基于巴西劈裂法的饱水煤样能量耗散特征研究

为研究饱水煤样拉伸破坏过程中的能量耗散规律,利用RMT-150B岩石力学实验系统对赵固二矿二1煤层煤样在自然和饱水状态下进行巴西圆盘劈裂实验,探讨了自然与饱水状态下煤样的应力、强度及能量变化。结果表明:巴西劈裂实验时,加载过程应力-时间关系与实验控制方式有关。采用载荷控制方式时,峰值前拉应力与时间呈良好线性关系,达到峰值时应力瞬间跌落为零,表现出明显脆性破坏特征;采用变形控制方式时峰值前拉应力与时间呈非线性关系,峰值后出现分次破坏特征;采用两种控制方式在巴西圆盘劈裂实验破坏前没有本质区别;两种状态下不同层位煤样抗拉强度和峰值能率存在差异,自然状态下层位煤样抗拉强度较高(1.80MPa),中层位煤样抗拉强度较低(1.23MPa),上层位煤样抗拉强度介于两者之间(1.52MPa),饱水后上中下层位煤样的抗拉强度和峰值能率均有不同程度降低,抗拉强度平均软化系数分别为0.65,0.61和0.61,平均峰值能率降幅为36.0%,56.1%和40.6%;两种状态下煤样抗拉强度与峰值能率大致呈线性关系,表明抗拉强度越高的煤样,能量耗散越少,煤样抗拉强度越低,能量耗散越多。     

侧向受拉脆性岩石压缩本构及蠕变失效研究

轴向压缩作用下,脆性岩石侧向应力严重影响岩石力学特性。侧向压应力影响下的轴向压缩岩石力学行为已经得到广泛研究,然而侧向拉应力对轴向压缩岩石力学行为影响研究很少。本文基于脆性岩石翼型裂纹扩展模型中,初始裂纹面法向应力与剪切应力的正负方向为判断依据,研究了侧向拉应力对轴向压缩力学行为的影响。发现恒定的侧向拉应力作用下,轴向压缩应力渐进变化过程中,脆性岩石内部细观初始裂纹面的法向应力只能为压缩应力,不存在拉应力情况。分析了从侧向压应力到拉应力转化过程中,脆性岩石轴向压应力与细观裂纹扩展长度关系、轴向压应力与轴向应变关系、岩石峰值强度、裂纹启裂应力及初始弹性模量的变化规律。并分析了侧向拉应力对岩石蠕变裂纹长度、裂纹速率、轴向应变及应变率演化曲线,以及对蠕变失效时间及稳态蠕变应变率的影响。讨论了侧向拉压应力突变转化以及侧向拉应力分级增大对轴向压缩岩石蠕变演化行为影响。该研究为深部地下工程围岩稳定性评价提供了一定理论依据。     

Hopkinson拉杆的入射波波形整形实验研究

目前,分离式Hopkinson杆实验技术已经被广泛用于测试材料在10~2~10~4s~(-1)应变率范围内的动态力学特性。为了抑制入射波的高频振荡,实现恒定应变率加载,本文利用分离式Hopkinson拉杆(SHTB)实验装置,研究了加载金属短杆(2A12T4铝合金)及整形垫片(纸板、PVC软塑料及带磁性胶皮)对入射波波形的影响。实验结果表明,整形垫片降低了入射应力脉冲的高频振荡,获得了比较平滑的入射应力脉冲,延长了上升时间。同时,利用所得的波形整形结果,对2A12T4铝合金进行了拉伸应力波脉冲加载的拉伸和断裂实验测试。     

聚碳酸酯的高应变率拉伸实验

为了解应变率对聚碳酸酯拉伸力学行为的影响,在旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸试验机和MTS809材料试验机上,对聚碳酸酯棒材进行了高应变率和准静态加载下的单向拉伸试验,应变率分别为380 s-1、800 s-1、1750 s-1和0.001 s-1、0.05 s-1,得到了聚碳酸酯的拉伸应力应变曲线.试验结果表明:聚碳酸酯的拉伸力学性能具有明显的应变率相关性,其屈服应力和失稳应变随应变率的增加而增大.依据试验结果,采用朱王唐粘弹性本构模型来描述聚碳酸酯的非线性粘弹性拉伸力学行为.模型结果显示,在本文实施的应变率范围内,朱王唐模型可以较好地表征聚碳酸酯的拉伸应力应变响应.     

大理岩的高应变率动态劈裂实验

首次把平台巴西圆盘试样引入动态劈裂试验。利用直径100mm的分离式Hopkinson杆对大理岩巴西圆盘和平台巴西圆盘试样进行了动态劈裂实验。结合有限元分析,得到了大理岩的动态劈裂破坏的拉伸强度。分析了巴西圆盘和平台巴西圆盘的典型破坏方式。结果表明,大理岩的动态拉伸强度随着应变率的提高而增加。利用圆盘中心粘贴的应变片来测大理岩等脆性材料的动态拉伸强度,是一种简便高效的试验方法。和巴西圆盘相比,平台巴西圆盘具有更大的优越性和更好的测量效果。     

ARALL 材料拉伸力学性能的试验研究

利用自行研制的旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸试验装置对ＡＲＡＬＬ材料以及施加预应力的ＡＲＡＬＬ材料进行了３个应变率（２００、５００、１３００ｓ－１）的冲击拉伸试验，得到了两种材料在不同应变率下的完整的应力应变曲线。结果表明ＡＲＡＬＬ材料在高速加载条件下的变形可以分为弹性变形、塑性变形和材料失稳后的残余变形三个部分，每个部分都有不同的变形机理。结果还表明，随着应变率的增加两种材料的屈服应力、失稳应力以及失稳应变均相应增加，表现出明显的应变率强化和动态韧性现象。最后根据材料在不同应变率下的试验结果，建立了ＡＲＡＬＬ材料计及应变率影响的三段线性本构模型。     

Photoviscoelastic stress analysis of a plate with a central hole

An epoxy resin containing excessive plasticizer was developed and characterized. The material, which deforms viscously at room temperature, has optical properties that depend on stress and strain. A tensile specimen was prepared from the epoxy resin so that the mechanical and optical properties of the epoxy resin could be characterized. The elastic and plastic behavior was determined at 37°C using tensile stresses between 4 and 26 MPa. The birefringence was also recorded as a function of time and stress. From these results, a photoviscoelastic constitutive equation was constructed to describe the dependence of the birefringence on stress and strain. The constitutive equation was then applied to study the deformation of a tensile specimen containing a central circular hole. By using the isochromatic fringes in combination with the isoclinic, the time-dependent variation of the stress field in the specimen was solved.     

金属拉伸试验方法的关键及其对策

本文首先指出金属拉伸试验方法的关键问题是试验时的应力速率及应变速率控制,首次提出应用传感器及计算机技术,以一只比例节流阀为控制器构成旁路节流式微机控制电液系统,具有压力和速度双重控制功能,在液压式万能材料试验机上获得良好的应力速率及应变速率控制的试验结果,为我国液压材料试验机功能扩展和开发新一代机型奠定基础,以适应２１世纪静强度检测的需要。     

Constitutive modeling of pressure dependent plasticity and fracture in solder joints

A new constitutive model describing the pressure dependence of plasticity and fracture in solder joints is proposed. The pressure dependence of the solders flow stress is obtained from the Peierls stress necessary to move mobile dislocations. Conservation of volume during plastic deformation is achieved through a deviatoric associated flow rule. Fracture is considered as a result of damage accumulation depending on the amount of plastic strain and triaxiality of stress the sample has experienced. The constitutive model was implemented in the FEM code Abaqus using the user subroutine UMAT. The model predictions were compared to experimental results of tensile tests performed with Sn-3.5Ag solder joints of various thicknesses. Ultimate tensile strength and ductility showed a strong dependency on the solder joints geometry. It is demonstrated that the model can nicely be fitted to experimental results.     

ANALYSIS OF THE LOCALIZATION OF DAMAGE AND THE COMPLETE STRESS-STRAIN RELATION FOR MESOSCOPIC HETEROGENEOUS ROCK UNDER UNIAXIAL TENSILE LOADING

The mechanical behavior of rock under uniaxial tensile loading is different from that of rock under compressive loads. A micromechanics-based model was proposed for mesoscopic heterogeneous brittle rock undergoing irreversible changes of their microscopic structures due to microcrack growth. The complete stress-strain relation including linear elasticity, nonlinear hardening, rapid stress drop and strain softening was obtained. The influence of all microcracks with different sizes and orientations were introduced into the constitutive relation by using the probability density function describing the distribution of orientations and the probability density function describing the distribution of sizes. The influence of Weibull distribution describing the distribution of orientations and Rayleigh function describing the distribution of sizes on the constitutive relation were researched. Theoretical predictions have shown to be consistent with the experimental results.