循环加卸载损伤大理岩的动力学特性

利用MTS 815电液伺服岩石实验系统进行上限应力为80%、85%、90%、95%单轴抗压强度的大理岩单轴压缩循环加卸载实验，每种上限应力条件分别设置20、40、60、80次循环。再利用分离式Hopkinson压杆对损伤岩样进行动力学实验。分析了循环加卸载上限应力及循环次数对大理岩塑性应变的影响，揭示了大理岩动态力学参数和破碎吸收能随损伤变量的演化规律。实验结果表明:塑性应变与循环次数呈正相关，且上限应力越大，塑性应变趋于稳定所需的循环次数也会增大；动态单轴抗压强度、动态弹性模量随损伤变量增加呈指数衰减；破碎吸能占比以损伤变量D=0.343为临界点分为两个阶段，D＜0.343时，破碎吸能占比稳定在10%左右，数值约为13 J，当D＞0.343时破碎吸能占比随损伤变量增加不断增大。研究结果可为岩体工程的设计、施工及支护参数的选取提供参考。     

多次冲击荷载作用下花岗岩动态累计损伤特性

利用改进的分离式霍普金森压杆(SHPB)系统,对花岗岩进行多次循环冲击压缩试验,并结合岩石声发射监测研究花岗岩在动态冲击下的累计损伤特性。利用超动态应变仪获取的波形信号分析试样中的纵波通过时间,进而计算岩石的应力波波速,并利用花岗岩应力波波速的变化来表征试样在循环冲击过程中的损伤特性。通过分析试样每次加载过程中的能量变化,发现多次冲击加载过程中的岩石损伤量变化程度与试样在单次加载过程中的吸收能大小有关,试样的吸收能越大,花岗岩冲击后的损伤变化量越大。花岗岩在多次冲击加载过程中的动态抗压强度随着冲击次数的增多而减小,但随加载应变率的增大而增大。基于冲击加载过程中的应力时程曲线及声发射信号特征,发现声发射事件峰值计数随着加载次数的增多而增大,表明花岗岩在多次冲击过程中新生裂纹在逐渐增多,花岗岩在每次加载过程中的声发射事件峰值点位于试样应力峰值点附近,且其在动态冲击下的声发射事件具有突发性,前兆信息不明显的特点。     

高弹态未硫化橡胶在不同变形模式下的循环加卸载力学行为

对高弹态未硫化橡胶实施了不同变形模式(单轴拉伸和压缩)的循环力学实验，以考察其黏超弹性响应以及应变率对力学行为的影响。结果表明，材料的拉伸、压缩性能与加载速率和变形历史均有着显著的相关性。对于循环拉伸变形，应力-应变曲线的非线性特征较为明显，材料表现出类似于屈服的性质，且随着循环次数和变形量增加，迟滞损耗的积累趋势逐渐减弱；而对于循环压缩变形，应力-应变关系接近线弹性，且随着循环次数和变形量增加，材料刚度和迟滞损耗积累的趋势都逐渐增强。针对上述实验结果，在经典的Bergstrom-Boyce模型中引入损伤变量，对未硫化橡胶的应变率相关性和Mullins效应进行表征。理论计算结果表明，这种非线性黏超弹模型能够较好地描述未硫化橡胶在不同载荷条件下的变形响应与应力软化特征。     

水冷却对高温花岗岩的细观损伤及动力学性能影响

为探讨高温花岗岩经水冷却后的细观结构损伤及动态力学性能，对水冷却后高温花岗岩开展波速和核磁共振测试，分离式霍普金森压杆冲击试验，以及冲击破碎试样的扫描电镜观察，分析比较不同状态下花岗岩波速、孔隙度和动力学参数的变化规律。研究发现:随着温度升高，经水冷却处理后高温花岗岩波速非线性下降，大孔径孔隙度分量增大，且水冷却后试样的孔隙孔径尺寸和数量均大于自然冷却；水冷却后高温花岗岩动力学参数呈现出随着温度升高，峰值应力减小，峰值应变增大，弹性模量则先增大后减小的规律；由于水冷却使高温花岗岩表面温度急剧降低，产生额外的温度应力，花岗岩内部损伤加剧，表现出更低的波速与峰值应力；而水的冷淬作用一定程度上提高了表层花岗岩的硬度，降低了高温后花岗岩的塑性能力，与自然冷却相比水冷却后花岗岩的峰值应变减小，弹性模量增大，表现出脆性破坏特征。在温度低于400 ℃时，冷却方式对冲击裂纹影响不大，随着温度升高到800 ℃，自然冷却后花岗岩冲击断面呈蜂窝状，而水冷却后冲击断面则相对平整。     

考虑围压效应的冻结砂土动态本构模型研究

为描述主动围压作用下冻结砂土的动态力学特性，通过在朱-王-唐模型的非线性体上串联塑性体，建立了能够考虑围压效应的冻结砂土动态损伤本构模型；分析了损伤参数对应力-应变曲线特征、屈服点、峰值应力和峰值应变的影响规律，基于冻结砂土动力学试验数据确定了模型参数；通过将模型和试验数据进行对比，并对不同试验条件下模型的预测误差进行分析，验证了模型的适用性和准确性。结果表明，损伤参数对应力-应变曲线弹性阶段和屈服点无明显影响，而对塑性阶段和破坏阶段的影响较为显著，本构模型预测的应力-应变曲线与试验结果具有较好的一致性。模型能够预测围压引起冻结砂土塑性阶段占比大和屈服点明显的特征，且能够描述围压对冻结砂土动态强度的增强效应；不同负温和主动围压条件下，模型对峰值应力和屈服强度的预测效果优于峰值应变和屈服应变。     

水泥砂浆的一个热粘弹性率型损伤本构模型

利用SHPB实验系统及自行研制的混凝土类材料快速高温加热设备,对水泥砂浆试件进行了不同 温度(20~600℃)和3种冲击速度下的实验,得到了不同温度和冲击速度下水泥砂浆试件的应力应变关系曲 线。基于ZWT粘弹性本构模型,并且考虑高温下水泥砂浆损伤演化规律都服从Weibull分布,提出了一个水 泥砂浆的热粘弹性率型损伤本构模型。通过数据拟合,获得了本构模型的相关参数,结果表明:理论预测和实 验结果吻合良好。     

花岗岩破坏过程能量演化机制与能量屈服准则

为了明确岩石破坏的能量演化特性，结合单轴实验和颗粒流程序获得花岗岩的细观力学参数，进行不同应力状态的花岗岩实验，研究不同围压下花岗岩破坏过程的能量演化机理并推导能量屈服准则。获得以下主要结论:花岗岩破坏过程中低围压下内部损伤出现较早而高围压较晚，表明低围压花岗岩内部损伤是渐进发展过程，而高围压下内部损伤一旦出现便快速发展破坏；高围压花岗岩峰值前一定应变范围弹性应变能基本保持不变，吸收的能量全部转化为耗散能，表明高围压破坏时花岗岩内部损伤程度严重；弹性应变能经历不断积累并达到弹性储能极限而后减小的变化过程，而弹性储能极限与围压之间存在线性变化规律，因此高围压下岩体开挖卸荷时极易诱发大量弹性应变能的急剧释放，引起围岩失稳甚至发生岩爆；花岗岩峰值破坏时的能量比与围压无关，为一定值；基于能量原理导出了能量屈服准则，该准则包含岩性参数和所有主应力，能够综合反映岩石破坏影响因素。     

基于分形理论的高强混凝土动态损伤本构关系

基于高强混凝土（HSC）试块在SHPB冲击实验中的分形损伤演化规律,推导了HSC的分形损伤变量表达式,标定了HSC裂纹的分形维数范围。然后参考ZWT模型,并结合HSC实验过程中的应变率相关性、动态损伤特性及近似恒应变率,推导了分形损伤演化的HSC动态损伤本构方程。采用4组应变率工况下的C60、C80混凝土应力-应变曲线对本构方程进行验证,理论曲线和实验曲线吻合较好。     

花岗岩在SHPB冲击破坏实验中最低加载应变率的杆径效应

基于Steverding-Lehnigk脆性断裂准则,分析了半正弦应力波加载条件下SHPB杆径尺寸与导致花岗岩试样单次冲击破坏对应的最低应变率之间的关系。采用杆径分别为22、36、50和75 mm的SHPB实验系统对相应尺寸规格的花岗岩试样进行了应变率从高到低的冲击实验,讨论了花岗岩试样在单次冲击破坏情形下对应的最低应变率与实验杆径的相关性。理论和实验结果表明:岩石试样的最低加载应变率随着SHPB杆径的增大而以乘方关系减小,但当应变率低到100 s-1量级时,Hopkinson杆径已超过100 mm,增大Hopkinson杆径降低加载应变率的效果不再明显。     

钢纤维高强混凝土冲击压缩的试验研究

介绍了利用100 mm SHPB装置获得钢纤维高强混凝土冲击压缩应力-应变曲线的试验研究。同一类试样在静态和动态共4个不同应变率下的试验结果揭示混凝土是应变率敏感材料，其破坏应变、峰值应变和弹性模量表现出显著的应变率强化效应。从静态和动态压缩下混凝土损伤演化的不同形式对这种应变率强化效应进行了详细讨论。从相近应变率下不同钢纤维含量试样的试验结果中，发现冲击压缩下钢纤维对混凝土的增强效应随应变率的增大而减弱。从钢纤维对混凝土静态和动态压缩下损伤演化形式的影响，讨论了钢纤维对混凝土的这种增强效应。     

超弹性镍钛形状记忆合金单轴相变棘轮行为的宏观唯象本构模型

超弹性镍钛形状记忆合金因其良好的力学性能以及独特的超弹性和形状记忆效应已广泛应用于土木工程、航空航天和生物医疗等多个领域,在实际服役环境中超弹性镍钛合金元件不可避免地会承受不同应力水平的循环载荷作用,亟待建立描述相变棘轮行为(即峰值应变和谷值应变随着正相变和逆相变循环的进行不断累积)的循环本构模型.为此,基于已有的超弹性镍钛形状记忆合金在不同峰值应力下的单轴相变棘轮行为实验研究结果,在广义黏塑性框架下,对Graesser等提出的通过背应力非线性演化方程反映超弹性镍钛形状记忆合金超弹性行为的一维宏观唯像本构模型进行了拓展,考虑了正相变和逆相变过程中特征变量的差异及其随循环的演化,以非弹性应变的累积量为内变量引入了正相变开始应力、逆相变开始应力、相变应变和残余应变的演化方程,同时通过峰值应力与正相变完成应力的比值来确定演化方程中的相关系数,建立了描述超弹性镍钛合金单轴相变棘轮行为的本构模型.将模拟结果与对应的实验结果进行对比发现,建立的宏观唯像本构模型能够合理地描述超弹性镍钛形状记忆合金的单轴相变棘轮行为及其峰值应力依赖性,模型的预测结果和实验结果吻合得很好.     

含热冲击预损伤的陶瓷基复合材料损伤本构模型

陶瓷基复合材料结构在服役过程中不可避免地经受热冲击(较高的热应力梯度)而产生热机械损伤, 因此, 建立含循环热冲击预损伤材料的损伤本构模型, 以描述材料在热机械载荷作用下的力学行为, 对材料结构损伤容限设计与结构完整性评估非常重要. 本文首先对经历了循环热冲击的材料进行单调拉伸损伤实验, 发现对于含循环热冲击预损伤的材料, 其弹性模量的下降与所施加的应变直接相关. 然后在连续介质损伤力学的框架下, 基于平面应力假设, 建立了含循环热冲击预损伤材料的损伤演化模型, 该模型所涉及的参数可通过一个偏轴(45$^\circ$)以及两个正轴(平行于两个主方向)的单调拉伸试验获得. 最后, 采用经典塑性理论对由基体损伤引起的非弹性应变进行了描述. 本文所提出的应变损伤宏观模型可以描述陶瓷基复合材料在热机械载荷作用下的损伤演化, 同时弥补了含预损伤的陶瓷基复合材料在机械载荷下损伤本构模型在理论及实验研究方面的不足.      

Simulation of failure under cyclic plastic loading by damage models

The purpose of this work is to simulate the evolution of ductile damage and failure involved by plastic strain reversals using damage models based on either continuum damage mechanics (CDM) or porosity evolution. A low alloy steel for pressure vessels (20MnMoNi55) was chosen as reference material. The work includes both experimental and simulation phases. The experimental campaign involves different kinds of specimens and testing conditions. First, monotonic tensile tests have been performed in order to evaluate tensile and ductile damage behaviour. Then, the cyclic yielding behaviour has been characterized performing cyclic plasticity tests on cylindrical bars. Finally, cyclic loading tests in the plastic regime have been made on different round notched bars (RNBs) to study the evolution of plastic deformation and damage under multiaxial stress conditions. The predictions of the different models were compared in terms of both, the specimens macroscopic response and local damage. Special emphasis was laid on predictions of the number of cycles prior to final failure and the crack initiation loci.     

Nonlinear dependence of viscosity in modeling the rate-dependent response of natural and high damping rubbers in compression and shear: Experimental identification and numerical verification

The rate-dependent behavior of filled natural rubber (NR) and high damping rubber (HDR) is investigated in compression and shear regimes. In order to describe the viscosity-induced rate-dependent effects, a constitutive model of finite strain viscoelasticity founded on the basis of the multiplicative decomposition of the deformation gradient tensor into elastic and inelastic parts is proposed. The total stress is decomposed into an equilibrium stress and a viscosity-induced overstress by following the concept of the Zener model. To identify the constitutive equation for the viscosity from direct experimental observations, an analytical scheme that ascertains the fundamental relation between the inelastic strain rate and the overstress tensor of the Mandel type by evaluating simple relaxation test results is proposed. Evaluation of the experimental results using the proposed analytical scheme confirms the necessity of considering both the current overstress and the current deformation as variables to describe the evolution of the rate-dependent phenomena. Based on this experimentally based motivation, an evolution equation using power laws is proposed to represent the effects of internal variables on viscosity phenomena. The proposed evolution equation has been incorporated in the finite strain viscoelasticity model in a thermodynamically consistent way. Simulation results for simple relaxation tests, multi-step relaxation tests and monotonic tests at different strain rates using the developed model show an encouraging correlation with the experiments conducted on HDR and NR in both compression and shear regimes. Finally, an approach to extend the proposed evolution equation for rate-dependent cyclic processes is proposed. The simulation results are critically compared with the experiments.     

ABAQUS混凝土损伤塑性模型中损伤因子的率相关性及实现方法

ABAQUS程序中最常用的混凝土损伤塑性（concrete damage plasticity, CDP）模型无法实现损伤因子与应变率相关。为了准确描述混凝土材料在高应变率下的损伤特性,基于CDP模型定义了新的应变率场变量,编制了VUSDFLD用户子程序,开发了能够考虑损伤因子率相关性的改进的CDP（modified CDP,MCDP）模型。MCDP模型采用能量法求解混凝土拉压损伤因子,主求解程序能够随着应变率场变量的变化而自动更新不同应变率对应的损伤参数,计算得到的混凝土单轴静态加载结果与CDP模型吻合较好。MCDP模型对高应变率下动态压缩性能的模拟结果表明:混凝土材料在不同应变率下的拉压损伤对其动态力学性能有显著影响,编制的VUSDFLD子程序和MCDP模型能够有效地解决损伤应变率相关的模拟难题,可以准确地模拟爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的动态响应,为预测爆炸冲击等强动载作用下混凝土结构的响应和破坏提供了更可靠的技术途径。     

准脆性材料的弹塑性各向异性损伤耦合本构模型研究

针对准脆性材料的非线性特征：强度软化和刚度退化、单边效应、侧限强化和拉压软化、不可恢复变形、剪胀及非弹性体胀,在热动力学框架内,建立了准脆性材料的弹塑性与各向异性损伤耦合的本构关系。对准脆性材料的变形机理和损伤诱发的各向异性进行了诠释,并给出了损伤构形和有效构形中各物理量之间的关系。在有效应力空间内,建立了塑性屈服准则、拉压不同的塑性随动强化法则和各向同性强化法则。在损伤构形中,采用应变能释放率,建立了拉压损伤准则、拉压不同的损伤随动强化法则和各向同性强化法则。基于塑性屈服准则和损伤准则,构建了塑性势泛函和损伤势泛函,并由正交性法则,给出了塑性和损伤强化效应内变量的演化规律,同时,联立塑性屈服面和损伤加载面,给出了塑性流动和损伤演化内变量的演化法则。将损伤力学和塑性力学结合起来,建立了应变驱动的应力-应变增量本构关系,给出了本构数值积分的要点。以单轴加载-卸载往复试验识别和校准了本构材料常数,并对单轴单调试验、单轴加载-卸载往复试验、二轴受压、二轴拉压试验和三轴受压试验进行了预测,并与试验结果作了比较,结果表明,所建本构模型对准脆性材料的非线性材料性能有良好的预测能力。     

Uniaxial ratcheting and fatigue failure of tempered 42CrMo steel: Damage evolution and damage-coupled visco-plastic constitutive model

Uniaxial ratcheting and fatigue failure of tempered 42CrMo steel were observed by the tests under the uniaxial stress-controlled cyclic loading with non-zero mean stress [G.Z. Kang, Y.J. Liu, Mater. Sci. Eng. A 472 (2008) 258–268]. Based on the obtained experimental results, the evolution features of whole-life ratcheting behavior and low-cycle fatigue (LCF) damage of the material were discussed first. Then, in the framework of unified visco-plasticity and continuum damage mechanics, a damage-coupled visco-plastic cyclic constitutive model was proposed to simulate the whole-life ratcheting and predict the fatigue failure life of the material presented in the uniaxial stress cycling with non-zero mean stress. In the proposed model, the damage was divided into two parts, i.e., elastic damage and plastic damage, which were described by the evolution equations with the same form but different constants, since the maximum applied stresses in most of loading cases were lower than the nominal yielding strength of the material. The ratcheting of the material was still described by employing a nonlinear kinematic hardening rule based on the Abdel-Karim–Ohno combined kinematic hardening model [M. Abdel Karim, N. Ohno, Int. J. Plast. 16 (2000) 225–240] but extended by considering the effect of damage. The maximum strain criterion combined with an elastic damage threshold was employed to determine the failure life of the material caused by two different failure modes, i.e., fatigue failure (caused by low-cycle fatigue due to plastic shakedown) and ductile failure (caused by large ratcheting strain). The simulated whole-life ratcheting behavior and predicted failure life of tempered 42CrMo steel are in a fairly good agreement with the experimental ones.     

循环爆破开挖下隧道围岩振动效应与损伤演化的模型实验

针对推进式循环爆破开挖下隧道围岩振动效应与损伤演化问题,按照相似比理论进行模型实验研究,实验模型采用1:15比例浇筑制成。通过模拟隧道推进式循环爆破开挖方式,以同一测点处爆破前后岩体声速变化评价隧道围岩损伤程度,探寻爆破参量变化对振动效应的影响,探索围岩损伤演化与爆破次数之间的关系。研究结果表明:在最大段药量大致相同情况下,起爆段数对萨道夫斯基公式的介质系数K影响很小,而对萨道夫斯基公式的衰减系数α影响较大;隧道在推进式循环爆破开挖下,同一深度距离爆区相同的测点,其声速降低率存在较大差异,围岩的爆破损伤范围在深度和广度方面均具有典型的各向异性特征;当爆炸参量基本相同时,不同循环爆破开挖下测点的累积声速降低率呈非线性增长趋势;在推进式循环爆破加载下,围岩爆破累积损伤量D与爆破次数n之间存在非线性演化特性,不同的测点具有各自的爆破累积损伤扩展模型,距离爆源越近爆破损伤扩展越快,围岩爆破累积损伤效应具有典型的非线性演化特性和各向异性特征。