文家沟巨型岩质滑坡高速远程运移特征分析

文家沟滑坡是汶川地震诱发的巨型高速远程岩质滑坡,其运移特征尚不明确。在现场调查的基础上,结合遥感解译,进一步深入研究其运移特征。分析得出,滑体自滑源区差异性启动,途经斜坡区铲刮坡表岩土体,随后以滑行、飞行等方式进入沟谷区,沿沟铲刮两岸坡体继续下行,与岸坡发生了5次明显的冲撞,逐步解体碎屑化,于第3次冲撞后开始大规模减速堆积,最终于沟口区停积。结果表明,地形是滑体运移堆积的主控因素,滑体的解体碎屑化和冲撞山体时的爬高、抛摔、越顶现象以及冲击气浪的形成等是高速行程的具体表现,碰撞是导致全程解体碎屑化的主要途径。     

低速冲击下压电层合板的非线性动力响应与疲劳损伤寿命分析

基于损伤力学,考虑压电效应、几何非线性和损伤演化的影响,建立了集中载荷作用下压电层合板的非线性运动微分方程,考虑撞击物与压电层合板之间的弹性接触效应,确定了层合板所承受的冲击力.对此非线性动力问题,采用有限差分法进行求解,且引入损伤层合板单元模型,采用有限元方法模拟了冲击荷载作用下压电层合板的损伤演化.算例中,讨论了撞击物的冲击速度、压电材料以及损伤对压电层合板非线性动力响应的影响,以及周期冲击荷载下冲击速度和压电材料对压电层合板疲劳损伤寿命的影响.     

一种铝合金层裂破坏的分形形貌与微结构的相关性

针对高速冲击下材料的层裂破坏，用盒子计数法和码尺法计算了一种铝合金的层裂剖面的分形维。结合层裂破坏形貌的微观观测讨论了分形标度区范围。测定了材料的微结构分布，对材料中的二相粒子尺寸，晶粒尺寸以及相邻的二相粒子间距的分布，层裂破坏形貌展示的自相似范围和计算分形维数时的标度区范围进行比较，发现相邻的二相粒子间距的分布范围和层裂破坏形貌的自相似范围以及分形维的标度区范围是相当的。     

网架结构在山体滑坡冲击下的垮塌模拟分析

针对某网架受到山体滑坡作用导致局部垮塌的实际案例,基于Hamilton原理,运用ANSYS/LS-DYNA动力分析软件,建立起网架结构和山体滑坡冲击荷载模型,充分考虑了冲击荷载的动力效应和接触碰撞理论,定义了结构失效的限值和失效模式。通过改变山体滑坡冲击荷载的质量与速度,分析了结构失效部位的能量变化、速度和位移演变、等效应力和塑性应变的开展。结果表明:在冲击荷载下网架杆件所能承受的瞬时应力可以远大于在静力荷载下杆件的屈服应力,网架在被冲击区域绝大部分杆件进入塑性,非冲击区进入塑性的杆件多发生于横向的上弦杆和下弦杆;通过对塑性杆件的加固处理,有效增强了结构的抗倒塌能力。     

强冲击荷载作用下混凝土材料动态本构模型

基于混凝土强冲击荷载作用下的实验研究,以修正Ottosen四参数破坏准则为流动法则,引入损伤,构造了一个塑性与损伤相耦合的动态本构模型用于描述混凝土材料的冲击特性.在该模型中,考虑了引起混凝土材料弱化的两种不同的损伤机制:拉伸损伤和压缩损伤.其中,拉伸损伤是由微裂纹的张开和扩展引起的,通过拉伸应变来控制;压缩损伤相关于微空洞体积分数比的演化,并通过微空洞塌陷引起的压缩应变来控制,由此压缩损伤和拉伸损伤就完全耦合了.通过模型计算模拟结果与实验结果比较发现,随着冲击速度的提高,混凝土的峰值应力显著增加,即混凝土材料的承载能力增大,同时混凝土内部产生显著的塑性变形.模拟曲线与实验曲线拟合良好,因而可以用该模型模拟混凝土材料在强冲击荷载下的动态特性.     

基于OTTOSEN准则的混凝土粘塑性力学模型

研究了混凝土的弹．粘塑性动态本构关系,提出一个应变率相关的非线性混凝土模型．模型改进Bicanic的混凝土塑性间断面变化规律和Ottosen的四参数屈服准则,建立冲击荷载下的混凝土本构方程,可以应用于地震和爆炸作用下混凝土材料响应的研究．根据混凝土动态实验结果对应变率和材料强度的关系提出合理假设,考虑以往被忽略的材料峰值应变和泊松比随应变率的变化．模型包含静水压力参数和动态塑性损伤因子,可以有效地反映混凝土的动态力学行为,为其动态问题的研究提供有益的思路和有效的工具．     

地面和埋置爆炸土中地冲击作用分区数值模拟及试验研究

为研究爆炸条件下土中应力波的时空分布,基于黄土中接触爆炸和半埋爆炸试验,验证了ANSYS/AUTODYN软件建立的计算模型,并在此基础上开展了土中爆炸地冲击效应研究。结果表明:随着土介质深度的增加,感生地冲击峰值减小,而直接地冲击峰值增大,最终,压力和竖向应力时程曲线中的2个峰值减少为1个峰值,据此特征可将土中应力波场分为3个区域,即地表区、近地表区和中心区;当装药比例埋深为?0.05～0.075 m/kg1/3时,随着装药比例埋深的增大,中心区迅速扩大,地表区迅速缩小,近地表区逐渐扩大;当装药比例埋深为0.1～0.4 m/kg1/3时,地冲击作用区的分布趋于稳定;爆炸耦合进入空气和土介质中的动能受炸药类型影响,但在一定范围内,地冲击作用区角度与地面空气冲击波超压冲量和直接地冲击应力冲量之比呈线性相关关系。     

弹体贯穿混凝土数值模拟的改进材料模型

研究混凝土结构在冲击载荷下的力学特性对武器以及防护结构的设计和评估具有重要意义,而合适的材料模型可以更准确地预测混凝土结构的力学行为和破坏模式。因此,本文中提出了一种改进的混凝土塑性损伤材料模型来描述其在冲击载荷下的力学响应。该改进模型考虑了压力-体积应变关系、应变率效应、洛德角效应和塑性损伤累积对混凝土材料力学特性的影响,并引入了一个与损伤相关的硬化/软化函数来描述压缩状态下的应变硬化和软化行为。随后,通过对3个独立的强度面进行线性插值得到了该改进模型的破坏强度面,并采用部分关联流动法则考虑了混凝土材料的体积膨胀特性。最后,开展了单个单元在不同加载条件下和弹体贯穿钢筋混凝土靶的数值模拟,验证了该改进模型的可行性、准确性以及预测性能提升。     

汶川八级地震滑坡高速远程特征分析

汶川地震触发的高速远程滑坡主要沿龙门山主中央断裂带汶川映秀—安县高川—北川县城—平武南坝—青川一线地震破裂带展布。由于获得了1.5g以上的抛掷加速度,具有明显的气垫效应,估计最大滑动速度一般大于70m•s-1,滑动距离一般为滑体启动时长度的数倍甚至10多倍,堆积成坝形成多处堰塞湖,最大滑行距离达3.2km。本文重点解剖了位于地震破裂带南西段(初始震中)的汶川映秀牛圈沟滑坡—碎屑流、位于地震破裂带中段的北川城西滑坡和位于地震破裂带北东段青川东河口滑坡—碎屑流3个典型实例,认为具有如下特征：(1）岩性条件：母岩遭受长期构造动力作用,呈碎裂岩体,后期被强烈风化,岩体极为破碎;(2）抛掷效应：位于汶川地震主断裂带或附近,垂直加速度大于水平加速度,强地面运动持时长,岩体发生振胀和抛掷;(3）碰撞效应：上部滑坡体发生高位剪出和高位撞击,致使岩体碎屑化;(4）铲刮效应：撞击作用导致下部山体被铲刮,形成次级滑坡,为碎屑流体提供了足够展翼和抛洒物源体积;(5）气垫效应：碎屑化岩体快速抛掷导致下部沟谷空气迅速谷状圈闭和向下紊流,形成气垫效应,或者,在下部地形开阔地带压缩空气呈层流状态致使滑体凌空飞行。     

坚硬岩石在强冲击荷载作用近区的性状研究

根据坚硬岩石的性质,利用力学模型分析了在冲击荷载作用下的岩石破坏过程,经由弹性状态向内摩擦状态的转变,最终达到流体力学状态。通过对内摩擦状态的分析,认为在强冲击荷载区域的变形近似为一维变形状态。冲击荷载作用在岩石中产生的应力波可以看作类似于冲击波的短波,在波阵面附近的某个狭窄区域内将发生参数的急剧变化。根据近区变形状态与质量守恒导出了侵彻近区的速度场表达式。根据短波的研究,给出了近区应力波的衰减规律。     

FRICTIONAL TEMPERATURE ANALYSIS OF TWO-DIMENSIONAL ELASTO-PLASTIC WHEEL-RAIL SLIDING CONTACT WITH TEMPERATURE-DEPENDENT MATERIAL PROPERTIES 1)

轮轨滑动接触温升的准确预测对于轮轨的磨耗和疲劳研究均具有重要意义. 目前的轮轨温升解析或半解析模型通常考虑Hertz弹性接触压力分布和单一材料属性的温度相关性, 与实际的轮轨传热状态尚有一定偏差, 因此在轮轨滑动温升计算模型中考虑接触压力的塑性修正和多种材料属性的温度相关性, 有望提高温升预测结果的准确性. 基于弹塑性接触理论, 同时考虑热导率、比热容和摩擦系数的温度相关性, 通过基尔霍夫变换方法以热导率温度相关性函数的积分作为待求量, 将复杂的非线性Fourier导热方程转化成含单个变系数的简单偏微分方程形式, 从而构建了一种不限制材料温度相关性函数形式的统一隐式差分求解格式, 分别讨论了对流换热系数、法向载荷、蠕滑率以及行车速度对钢轨表面滑动温升的影响. 结果表明, 当列车高速行驶时, 对流换热系数对轮轨滑动温升的影响甚微; 蠕滑率和行车速度的增大, 均会引起摩擦功率的增大, 进而导致钢轨表面温度的升高; 钢轨表面滑动温升的峰值随法向载荷的增大而近似线性上升. 此外, 在轮轨滑动温升计算模型中考虑材料属性的温度相关性可有效避免对滑动温升的过分高估, 且摩擦系数的温度相关性对温升的影响要显著强于热导率和比热容.     

考虑材料温度相关性的二维轮轨弹塑性滑动接触温升分析

轮轨滑动接触温升的准确预测对于轮轨的磨耗和疲劳研究均具有重要意义. 目前的轮轨温升解析或半解析模型通常考虑Hertz弹性接触压力分布和单一材料属性的温度相关性, 与实际的轮轨传热状态尚有一定偏差, 因此在轮轨滑动温升计算模型中考虑接触压力的塑性修正和多种材料属性的温度相关性, 有望提高温升预测结果的准确性. 基于弹塑性接触理论, 同时考虑热导率、比热容和摩擦系数的温度相关性, 通过基尔霍夫变换方法以热导率温度相关性函数的积分作为待求量, 将复杂的非线性Fourier导热方程转化成含单个变系数的简单偏微分方程形式, 从而构建了一种不限制材料温度相关性函数形式的统一隐式差分求解格式, 分别讨论了对流换热系数、法向载荷、蠕滑率以及行车速度对钢轨表面滑动温升的影响. 结果表明, 当列车高速行驶时, 对流换热系数对轮轨滑动温升的影响甚微; 蠕滑率和行车速度的增大, 均会引起摩擦功率的增大, 进而导致钢轨表面温度的升高; 钢轨表面滑动温升的峰值随法向载荷的增大而近似线性上升. 此外, 在轮轨滑动温升计算模型中考虑材料属性的温度相关性可有效避免对滑动温升的过分高估, 且摩擦系数的温度相关性对温升的影响要显著强于热导率和比热容.      

三峡库区康家嘴滑坡破坏过程及演绎研究

三峡库区康家嘴滑坡是在其老滑坡泥石流的前缘堆积扇体中形成的新滑动变形体。滑体表面为第四纪风化土层,滑带为灰绿色粉质粘土或粘土,在降雨与库区蓄水的周期性浸泡作用下,饱和后蠕滑变形,处于欠稳定-极限稳定状态,亟需整治。本文针对其破坏过程及形态加以详细描述,并对滑坡的阶段性演绎过程加以追溯。在查清滑坡地质条件与发展趋势的基础上,通过经济对比分析,对康家嘴滑坡不同变形阶段提出了具有针对性的防治方案:在新滑坡体(强变形区)采用抗滑桩+排水沟+局部回填压脚、后部变形体采用抗滑桩+排水沟。经对滑体计算,该滑坡体处于稳定状态,达到了防灾减灾的目的。     

汶川八级地震地质灾害研究

汶川地震触发了15000多处滑坡、崩塌、泥石流,估计直接造成2万人死亡。地质灾害隐患点达10000余多处,以崩塌体增加最为显著,反映出地震对山区高陡斜坡的影响差异性非常大,在山顶上的放大作用非常显著。通过综合分析堰塞湖库容、滑坡坝高以及坝体物质组成和结构,对地震形成的33处坝高大于10m的滑坡堰塞湖进行了评估,划分出极高、高、中和低4种溃决危险。汶川地震滑坡滑床往往不具连续平整的滑面,"尖点撞击"是极震区滑坡的一大共性,可以分为勺型滑床、凸型滑床和阶型滑床等类型。据实地调查,滑坡附近震毁建筑物垂向震动非常明显,具有"地震抛掷"—"撞击崩裂"—"高速滑流"三阶段特征。在高速滑流中,发生3种效应:(1)高速气垫效应,滑坡体由较大块石和土构成,具有一定厚度,飞行行程可达1~3km;(2)碎屑流效应,撞击粉碎的土石呈流动状态,特别是含水丰富时,形成长程流滑;(3)铲刮效应,巨大撞击力导致下部岩体崩裂,形成新滑坡、崩塌,但是,其厚度不大,滑床起伏不平。本文以北川城西滑坡和青川东河口滑坡为例,分析了地震滑坡高速远程滑动及成灾机理。北川县城城西滑坡导致1600人被埋死亡,数百间房屋被毁,是汶川地震触发的最严重的滑坡灾难,举世罕见。青川东河口滑坡—碎屑流是汶川地震触发的较为典型的高速远程复合型滑坡,滑程约2400m,高速碎屑流冲抵清江河左岸,形成滑坡坝,致使7个村庄被埋,约400人死亡。     

304L/Q235B大面积金属板爆炸焊接物质点法模拟分析

大面积金属板材304L/Q235B的爆炸焊接过程涉及炸药爆轰、金属板材的高速碰撞和塑性变形等。采用有限元法计算模拟这个问题时,网格单元会发生扭曲畸变现象,导致计算精度下降,甚至出现单元负体积而使计算终止,并且炸药爆轰形成气体产物飞散过程也很难模拟。为了能模拟大面积金属板材的爆炸焊接整个过程并获得合理的技术工艺参数,采用物质点法进行三维数值模拟分析。物质点法作为一种无网格法,在模拟冲击动力学问题中主要采用显式积分算法。通过将拉格朗日质点单元与固定的欧拉背景网格相结合,可以实现爆炸焊接的复板与基板的高速碰撞、炸药滑移爆轰、金属板面的塑性变形过程的数值模拟,并给出爆炸复合板材的形变、有效塑性应变和复板与基板的碰撞速度的计算结果。采用物质点法模拟的复合板材变形与爆炸焊接实验结果基本一致。计算复板与基板的碰撞速度这个重要的物理参数时,物质点法与Richter理论公式的相对误差不超过13%。数值计算和实验结果表明,物质点法在数值精度和计算效率方面具有优势,物质点法是研究金属焊接爆炸问题的一种有效数值方法。     

汶川地震触发大光包巨型滑坡基本特征及形成机理分析

大光包—红洞子沟巨型滑坡是汶川地震触发的最大规模滑坡,其体积达7.42亿m3, 堰塞坝高达690m,是我国已知的最大规模地震滑坡和最高的滑坡堰塞坝,也是目前全世界已知的为数不多的几个方量在5亿m3以上的超大规模滑坡之一,其高达690m的滑坡堰塞坝为目前世界最高的滑坡坝。滑坡位于发震断层上盘,距发震断裂——映秀—北川断裂不足7km。震前斜坡为三面切割的孤立型山脊,相对高差达1500m;斜坡岩层走向与坡面近于垂直,层面延展性极好,构成滑动面形成的基础。调查和分析表明,斜坡的临空条件和贯通性好的灰岩层面是滑坡产生的基础;而高强度和长持时强震地面运动是导致滑坡产生的根本因素。滑坡产生的机理和过程可分为以下4个阶段：即坡体震裂、松弛和解体阶段、高速溃滑阶段、震动堆积阶段、二次抛射和碎屑流堆积阶段。失稳高速下滑的坡体,形成了沿主滑方向长4.2km,宽2.2km的堆积体,高速流动的碎屑流越过下游侧风波岩山脊,沿红洞子沟形成了长1km的碎屑流堆积区。     

A slip-line plasticity analysis of abrasive wear of a smooth and soft surface sliding against a rough (fractal) and hard surface

Abrasive wear of a soft and smooth surface sliding against a rough (fractal) and hard surface was analyzed by the slip-line theory of plasticity. The analysis is based on a slip-line model of a rigid spherical asperity (wear particle) plowing through a soft surface and removing material by microcutting. Integration of this single-contact model into a three-dimensional contact mechanics analysis of an abrasive surface exhibiting multi-scale roughness described by fractal geometry yielded relationships of the abrasive wear rate and wear coefficient in terms of the interfacial shear strength (adhesion), topography (fractal) parameters of the hard/rough surface, elastic–plastic material properties of the soft/smooth surface, and total normal load. Analytical results from the single-contact analysis provide insight into the deformation of a perfectly plastic material caused by the abrasive action of a rigid asperity/wear particle under different normal load and interfacial friction (adhesion) conditions. The dependence of the abrasive wear rate and wear coefficient on normal load (global interference), roughness of the abrasive surface, elastic–plastic material properties of the abraded surface, and interfacial shear strength (lubrication effect) is interpreted in the context of numerical results obtained for representative ceramic/ceramic, ceramic/metallic, and metal/metal sliding systems.     

刚性椭球对固定面的三维摩擦碰撞

讨论刚性椭球对固定面的三维摩擦碰撞．以法向冲量为自变量，建立碰撞过程中接触点切向速度的微分方程．利用相平面的奇点理论对碰撞过程中切向滑动的全局性态作定性分析，并导出切向滑动的解析积分．     

粗糙面在梯度表面层上滑动接触的应力分布

对粗糙面在梯度表面层上的滑动过程进行应力分布研究,以模拟实际摩擦过程中,考虑塑性变形情况下,梯度覆层体中的应力分布规律,同时与均质体及单覆层体进行比较研究,分析了在表面载荷相同时滑动接触的应力分布。结果表明覆层体出现塑性变形后,在接触表面上的压力分布与弹性变形时有很大变化,在界面处梯度层的应力分布比单层膜更为理想,其应变梯度也较小;受相同表面载荷作用下产生塑性变形时,梯度层膜在基体产生塑性变形较小