含预制单裂隙石膏裂纹孕育与能量演化的应变率效应研究

基于高速相机和MTS万能试验机对含预制裂纹石膏样品进行了单轴压缩应变率效应试验研究,在应变率10~(-5)/s～10~(-3)/s之间选取6种应变率进行单轴压缩试验,对应力应变曲线、裂纹扩展路径、起裂应力、起裂角、弹性模量、峰值强度等与裂纹扩展相关的信息进行了应变率效应分析,并基于岩石材料破坏能量演化原理对其进行解释。试验表明:应变率在10~(-5)/s～2×10~(-4)/s范围时,石膏样品应力应变曲线台阶式上升或回落,波动较多,翼型裂纹发展充分,起裂应力、弹性模量、峰值强度等相差不大,裂纹起裂角82°左右,验证了最小应变能密度因子理论;应变率在5×10~(-4)/s、 10~(-3)/s时,石膏样品应力应变曲线峰前斜率较大,峰后跌落快,表现出岩石类材料典型的脆性特征,起裂应力、弹性模量、峰值强度等力学参数明显增大,起裂角为105°,此时应变能密度因子理论不再适用。     

循环孔隙水压下混凝土常规三轴压缩损伤破坏特性分析

本文进行了孔隙水压不同循环次数(0次,10次,50次,100次和200次)以及不同应变速率下(10~(-5)/s,10~(-4)/s,10~(-3)/s和10~(-2)/s)混凝土常规三轴压缩试验,分析了混凝土峰值应变的变化规律、应力-应变曲线及损伤特性。结果表明:相同循环次数孔隙水压下,峰值应变随应变速率增加,整体呈现出增加的趋势;而相同应变速率下,峰值应变随孔隙水压循环次数的变化规律并不明显;在中低应变速率(10~(-5)~10~(-3)/s)下,混凝土的损伤变化受孔隙水压循环次数影响较大;当循环次数达到200次时,孔隙水压作用对混凝土产生较大的损伤。通过对循环孔隙水作用下混凝土动态损伤破坏机理的分析可知:混凝土的破坏过程实际上是内部裂纹不断形成、扩展、贯通,材料损伤不断产生、累积的过程;当损伤达到一定程度,混凝土发生宏观破坏,失去承载力。     

双轴压缩下颗粒物质接触力与力链特性研究

为探究双轴压缩过程中颗粒物质接触力与力链特性,采用离散元法研究双轴压缩过程,得到双轴压缩过程中颗粒体系宏观力学特性,即偏应力、体积应变变化规律,并通过对接触力大小分布规律、接触力角度分布规律等细观层次分析,完成接触力大小、力链方向性量化描述,同时探究围压对颗粒物质力学特性的影响。研究表明,双轴压缩过程经历应力强化、应力软化、应力波动三个阶段。在各阶段,强接触与总体接触的各类型接触力大小分布规律可采用高斯函数或指数函数拟合,弱接触的法向与总接触力分布较为均匀;直径较大颗粒上具有接触力集中现象,集中程度随着围压升高而加强;力链网络形态经历"鱼鳞"状-"柱"状-"拱"状-"龟壳"状演变,由初始时基本各向同性,逐渐向最大主应力y向偏转,表现出强烈各向异性,最后又经历小幅度偏转偏离y向。不同围压下力链分量比变化规律证实了该发现,接触力角度分布规律也从力链承载方向验证了此结论。研究结果将为探究双轴压缩中颗粒物质力学特性提供理论基础。     

单向增强玻璃钢复合材料静/动态拉伸实验研究

本文针对单向增强玻璃钢复合材料，进行了一系列静/动态拉伸试验，利用高速摄影与DIC相结合的方法，获得了材料不同方向、不同应变率的应力-应变曲线以及材料在不同方向上的动态失效应变，精确地描述了材料的静/动态拉伸及失效行为。实验结果表明，纤维增强方向在不同应变率（10?3、10、102 s?1）拉伸应力-应变曲线均存在一个刚度减小的刚度变化点N，变化后的E_changed分别为初始弹性模量E_initial的67.5%、39.0%、21.4%。此材料在不同应变率（10?3、10、102 s?1）拉伸情况下，纤维增强的方向1上强度最高（分别为608、967、1 123 MPa），方向2强度最低（分别为75、67、58 MPa），方向3强度较低（分别为90、151、221 MPa）。利用高速摄影与DIC相结合的方法，获得了100 s?1应变率下，不同铺层方向破坏时刻的动态失效参数（方向1～3的动态失效应变分别为0.267、0.078、0.099），可以更加精确地描述此单向增强玻璃钢复合材料的动态失效行为。     

预静态加载后的混凝土动态受压特性试验

进行了混凝土在应变速率分别为10-5/s、10-4/s、10-3/s的条件下,经历极限抗压强度分别为0、40%、60%、75%和85%的单调荷载作用的动态单轴压缩试验,在此基础上分析了经历不同单调加载历史和应变速率下混凝土的峰值应力、峰值应变和弹性模量的变化规律。试验结果表明,随着应变速率的提高,动态单轴抗压强度明显增加;当单调加载应力水平高于某一应力阈值时,混凝土极限抗压强度明显降低;混凝土弹性模量随着应变速率的提高而增加,随着单调加载幅值的增加表现出先增大后减小的趋势;混凝土峰值应变随着应变速率的提高而增加,随着单调加载幅值的增加而减少。     

高速水流下旋流消能泄洪洞衬砌应力与破坏特征

旋流消能泄洪洞在高速水流作用下旋流拖曳力实用化计算方法和旋流拖曳力作用下衬砌应力与破坏特征对评价旋流消能泄洪洞结构优化设计以及衬砌结构的安全性至关重要。本文以边界层理论为基础,利用奥地利岩土工程分析系统FINAL,对泄洪洞在拖曳力和局部负压作用下的局部安全稳定性问题进行了多种工况下的三维非线性有限元分析。首次从结构应力角度研究了因高速水流产生的拖曳力和局部负压对旋流消能泄洪洞衬砌应力分布与破坏特征的影响;分析了旋流消能泄洪洞运行过程中产生拖曳力的大小与分布,得到了旋流消能高速水流拖曳力实用化计算方法,并用于分析拖曳力大小、方向、泄洪洞运行过程中负压出现的部位和大小。详细分析了流速为25m/s、30m/s、35m/s时拖曳力和局部负压对旋流消能泄洪洞关键洞段衬砌的应力、变形与破坏区的影响。结果表明:旋流拖曳力对衬砌应力、旋流段衬砌破坏区大小、深度影响显著,在设计过程中需要对影响显著部位进行必要的加固强化处理;局部负压对衬砌影响较小,可以忽略。分析成果已应用于公伯峡水电站旋流消能泄洪洞设计、施工。     

考虑执行器性能约束的高速列车容错跟踪控制

针对高速列车受到执行器故障、输出幅值和变化率饱和等执行器性能约束,模型参数不确定性, 以及附加阻力干扰等影响下的跟踪控制问题,设计了一种鲁棒容错跟踪控制算法。首先,基于双曲正 切函数构造的辅助系统,构建了高速列车的增广速度跟踪控制模型;其次,为避免控制器中出现虚拟 控制信号的一阶导数,采用动态面方法并结合自适应控制技术,设计了高速列车的容错跟踪控制器, 基于 Lyapunov 函数对控制器的稳定性进行了分析;最后,对设计的容错跟踪控制算法进行了仿真验 证。仿真结果表明,控制输入及其变化率均满足所设置饱和约束的要求;列车运行中的暂态速度和位 移跟踪误差分别在 0.016 m/s 和 0.003 m 范围内,从而验证了所设计控制器的良好容错跟踪性能。     

爆炸聚能作用下混凝土试件劈裂的高速3D DIC实验

为探寻非钻孔条件下露天爆破大块二次破碎形态的控制方法, 应用线性聚能射流对圆柱混凝土模型试件进行侵彻实验, 使用High-speed 3D DIC(高速三维数字图像相关方法)方法分析试件劈裂发展过程的全场三维形变特征。研究结果表明, 数据分析区内劈裂裂纹扩展速度在4个区间内呈阶梯式变化趋势, 峰值速度为235.52 m/s, 平均速度为140.89 m/s;线性聚能射流侵彻对劈裂裂纹扩展有明显导向作用, 应力集中作用使得劈裂裂纹围绕线性射流侵彻对称轴扩展, 扩展方向变化幅度较小;在劈裂裂纹扩展速度突变的3个时刻, 劈裂裂纹路径产生了3处明显拐点, 在拐点处伴随有支裂纹的产生, 支裂纹的扩展距离均未超过5 cm;主应变集中带形状及分布位置决定了裂纹扩展路径及趋势, 拉应变集中先于裂纹出现, 试件呈现准静态劈裂形态, 劈裂面平整度较高。     

特高压八分裂输电线路次档距振动与防振研究

基于典型特高压八分裂导线风洞试验获得的基本气动参数,对导线次档距振动现象进行了数值模拟,利用有限元方法分析了线路振动特性,讨论了风速对导线次档距振动的影响,研究了线路在不同间隔棒布置方式下次档距的振动情况。结果表明:风速在10m/s～16m/s下,档距为500m、600m、700m的输电线路的振动幅值均位于0m～2m范围内,随风速的变化呈近似线性变化;档距为500m的输电线路间隔棒等次档距布置时,子导线发生局部振动的频率为1.00Hz～1.18Hz;间隔棒非等次档距布置时,子导线发生局部振动的频率为0.91Hz～1.16Hz,间隔棒等次档距布置会改变导线的振动频率及形式;档距为500m的输电线路布置8根间隔棒时,子导线垂直方向振动频谱在1.10Hz附近均出现峰值;布置10根间隔棒时,子导线垂直方向振动频谱在1.19Hz出现峰值,且频谱峰值较小,增加间隔棒数量可以改变导线振动的频率以及频谱峰值。本文对特高压八分裂导线风振机理的研究及防振具有一定的参考意义。     

准噶尔盆地火成岩动态冲击破碎特征研究

针对准噶尔盆地石炭系火成岩难钻地层,利用改进的立式霍普金森压杆装置,开展了准噶尔盆地石炭系的安山岩、流纹岩、凝灰岩、玄武岩四种火成岩的动态冲击破碎实验;分析了4种冲击速度及不同应变率下火成岩的动态峰值应力、破碎特征;建立了应变率与分形维数的关系。结果显示:动态峰值应力与应变率呈较好的正相关性线性关系,玄武岩在应变率为286.7s~(-1)时,动态峰值应力达到653MPa;随着冲击速度增大,岩石应变率持续增加,所有试样的破碎程度明显增大;在冲击速度为16m/s时,岩石试样应变率在157.8s~(-1)～296.3s~(-1)之间,破碎岩屑的平均破碎块度在16mm以下。分形维数能较好地描述岩石的破碎特征,随着应变率的增大,碎屑分形维数呈增大趋势;当应变率超过157.8s-1时,火成岩试样破碎岩屑的分形维数显著增大至1.5以上;在所有冲击破碎实验中,火成岩试样碎屑没有出现粉末状态。相同冲击条件下,四种火成岩中玄武岩表现出更高的强度,动态峰值应力更高。     

爆破作用下山岭隧道锚固壁动态响应及衬砌的影响研究

基于现场位移收敛计监测数据,利用FLAC3D研究了拱桥铺山岭隧道在底部爆破作用下锚固壁动态响应及衬砌的影响。研究结果表明:通过静载下位移对比及应力波传播规律分析,说明数值分析结果比较可靠;由于衬砌能够很好地限制隧道动态位移,所以使隧道拱底正下方1.42m范围内的垂直压应力峰值明显增大,在与拱脚同一水平方向9.51m范围内的垂直压应力峰值也明显增大,并且离拱脚越近增大越明显;隧道衬砌对锚固壁拱底位移、振动速度、振动加速度的运动规律没有影响,都是先向隧道中心方向运动;而其它监测点由于衬砌的"拱作用"使锚固壁位移、振动速度、振动加速度的运动规律相反,并且衬砌能使隧道锚固壁振动最强烈位置(拱底)的位移峰值、振动速度峰值、振动加速度峰值分别减小76.6%、9.4%和5.0%。     

不同铺层角含孔复合材料板的损伤研究

针对0o、45o、90o铺层角复合材料层合板的含孔结构损伤问题,提出了一种基于层合板各铺层孔边应力解析解的首次损伤载荷系数分析计算模型。根据非均匀各向异性层合板的弹性特性,采用复变函数曲线映射方法获取了层合板孔边界积分方程,计算获得了0o、45o、90o角度铺层层合板各铺层的孔边纤维主方向和垂直于纤维主方向的应力分量;采用Tsai-Hill强度理论,对层合板各铺层进行孔边首次损伤载荷系数计算。分析结果表明:试件左右两端面在受到均布拉伸载荷p的作用下,各铺层中具有90o铺层角的铺层首次损伤载荷系数最小,具有0o铺层角的铺层首次损伤载荷系数最大,说明具有90o铺层角的铺层最先出现损伤,对应铺层首次损伤出现在孔边90o方向区域。将计算值与现有文献结果进行比较,误差小于10%,二者具有较好的一致性。     

焊接残余应力对含缺陷管道 TK?值的影响研究

为给含缺陷焊接管道脆性断裂的进一步研究提供基础,本文采用本征应变与局部应力相结合的方法模拟了两种典型的焊接残余应力,并计算了含内表面环向裂纹的管道分别在这两种残余应力作用下的应力强度因子K和裂尖约束应力T .计算结果表明:管道厚度方向的应力分布决定了裂纹根部的K ?值,沿着管道厚度呈拉应力分布的残余应力对应较大的K值与较小的T 值, T而沿着管道厚度总体呈弯曲分布的残余应力对应较小的K值与较大的T 值;在残余应力分布和管道厚度都相同的条件下,管道内径对K ?值的影响随着裂纹深度的增大而加强.T     

黄土的流变特性模拟与研究

工程建筑活动与土体的应力、变形、强度具有紧密的相关性,使得对土体的变形、破坏规律的研究显得十分必要。在对某现场黄土土样剪切蠕变试验的基础上,本文以分数线性蠕变方程为理论模型,模拟了该土体的蠕变、强度和流变特性,得到了该土体的剪切模量G随时间t和随法向应力σn的变化规律。通过流变分析,得到了粘滞系数η对法向应力σn的变化率受剪应力τ影响的规律,即当剪应力值较小时,粘滞系数η随法向应力σn变化率较大,而当剪应力增大后,粘滞系数η随法向应力σn变化率变小。还得出了加载时间t对粘滞系数η随剪应力τ变化的影响规律,即每级加载一定时间后,粘滞系数η随剪应力τ变化规律,以及时间t对粘滞系数η变化率的影响。同时还从土的微观结构的角度进行了分析讨论。     

高台阶抛掷爆破速度规律的数值模拟

为了获得高台阶抛掷爆破作用下岩石的抛掷速度变化规律,结合现场实验,采用理论分析、高速摄影技术、数值计算方法开展研究。研究结果表明,炮孔内炸药起爆后,坡面岩石抛掷初速度达到最大值的时间在93~105 ms之间,最大抛掷初速度在18~28 m/s之间;坡面岩石的最大抛掷初速度在延炮孔内传爆方向呈增长、稳定、下降的趋势;岩石抛掷运动过程的最后阶段呈自由落体运动,个别岩块的运动速度存在增减现象,主要是由于岩体破碎后岩块间存在的相互碰撞作用;高速摄影实验结果验证了数值计算结果的正确性、RHT材料本构模型及参数在高台阶抛掷爆破数值计算过程中的可用性。     

高温后花岗岩应力脆性跌落系数的实验研究

为研究温度对峰后区应力跌落的影响,通过高温后(常温～1200℃)花岗岩的单轴压缩试验,得到了不同温度后花岗岩全应力-应变曲线,并获得峰值应变、残余应变等特征参数随温度的变化规律。结果表明,高温后花岗岩变形特性较符合脆塑性体模型,峰值强度前呈显著线性关系,峰值屈服区段很狭窄,峰值后陡峻跌落至残余值,残余阶段稳定平缓;在800℃之前,可简化为理想弹性-应力脆性跌落-理想塑性三线型本构模型;800℃之后,峰前的屈服阶段逐渐明显,应力脆性跌落将不再发生,可简化为双线性弹性-线性软化-残余塑性四线型本构模型。给出了应力脆性跌落系数与温度的关系,温度越高,应力脆性跌落系数越大,且变化幅度越大。应力脆性跌落系数与岩爆倾向性指标随温度的变化趋势相反,故可用来作为评价岩爆倾向性的指标之一。     

基于声发射特征的充填体损伤演化研究

为探究声发射信号与充填体细观破坏之间的关系,研究声发射特征振铃计数、能率和应力随时间的变化规律,进一步揭示充填体损伤演化过程,进行了全尾砂胶结充填体声发射特性力学实验。基于损伤力学理论并引入有效损伤率,得到基于声发射累积事件率的损伤变量,然后构建了充填体损伤本构方程。研究结果表明,声发射振铃计数和能率在不同受力阶段呈现不同变化,与充填体内部孔隙及裂纹损伤演化过程有密切关系。振铃计数在弹性阶段前期达到最大,屈服阶段逐渐降低至最小;有效损伤率值与理论峰值应力呈负相关;与实验峰值应力相比,理论峰值应力出现于应变较大处;充填体为高损伤介质,当有效损伤率取值趋近于1时,理论模型曲线与实验曲线变化趋势相同,可以较好的描述充填体应力应变关系。     

缺陷介质切槽爆破断裂行为的动焦散线实验

利用数字激光动态焦散线实验系统,对含缺陷介质在切槽爆破和普通炮孔爆破中爆生裂纹的断裂行为进行对比研究。结果表明,切槽爆破中沿切槽方向起裂的主裂纹比非切槽方向早10 μs,有利于能量优先沿切槽方向释放;切槽方向主裂纹的起裂韧度为0.58 MN/m3/2,其裂纹扩展的平均速度为277 m/s,分别是普通爆破时主裂纹相应值的54%和86%;当切槽方向主裂纹与缺陷介质贯通后,为爆生气体提供了足够的膨胀空间,诱导爆生气体向预制裂纹两端释放,翼裂纹起裂以Ⅰ型拉伸破坏为主,并在裂纹扩展的60~250 μs内,Ⅰ型动态应力强度因子保持在0.6~0.8 MN/m3/2,形成了明显的平台,延缓了翼裂纹扩展速度的衰减,最终较普通炮孔翼裂纹扩展时间和扩展长度分别增加了22.7%和17.8%。     

ZCuPb20Sn5合金耐磨性能研究

ZCuPb₂₀Sn₅合金作为柱塞泵转子内衬材料，因其含铅量高，而具有良好的减摩耐磨性能，可避免转子在工作中的磨损失效问题. 选用销盘式摩擦磨损试验机，以ZCuPb₂₀Sn₅和45钢为摩擦副，研究了不同PV值和油润滑条件下，ZCuPb₂₀Sn₅合金的摩擦磨损性能. 结果表明:随着PV值的增加，ZCuPb₂₀Sn₅合金的摩擦系数先增加后减小，而磨损率呈增加趋势. 在载荷50 N和线速度2.410 m/s条件下，摩擦系数和磨损率最低，摩擦系数最低能达到0.010，平均摩擦系数达到1个最低峰值点0.063；在载荷250 N、线速度3.610 m/s以及PV值为126 MPa·m/s的条件下，摩擦系数达到另一低峰值0.070，磨损率为2.972×10?7 mm3/(N·m). PV值最大时，摩擦系数和磨损率最大. 载荷小于150 N时，在油润滑的作用下，主要磨损机制为轻微黏着磨损；载荷大于150 N时，在铅和油的协同作用下，以黏着磨损为主，少量磨粒磨损；当载荷大于250 N时，摩擦系数与磨损率均偏高，以磨粒磨损为主，局部有少量氧化磨损.      

大瓣片高强钢球壳板冲压成形应力测试与分析

为对大瓣片高强钢球罐壳板成形过程进行应力测试与分析,在分析壳板成形工艺特点和力学特征的基础上,提出了在板材上附加随动测试架的测试方法,该测试架可随板材运动,实现对传感元件的保护,保证测试信号的输出,同时不干扰壳板的工艺条件,实现了准确测定冲压加工过程中特定状态下板壳内的应力分布及变化规律的目的。测试表明,压力加工过程中,当模具完全冲压到位时,在模具中心区域出现最大拉伸应变,应力值也最大,而卸载后该区反而出现了很小的压应力,这对容器的安全是有利的。因此在压制过程中只要控制冲压变形量,使得中间部位应力值小于材料的强度极限,就可保证板材不发生工艺性破裂,而且成形完成后该区也无不利的力学因素。