热对流作用下筒壁涂层的边裂行为

边裂(边缘开裂)是涂层热致损伤的主要模式之一. 边缘裂纹穿透涂层后,常导致界面脱粘从而驱使涂层与基体剥离,最终丧失对基体的保护作用. 本文以热应力强度因子表征边缘裂纹的扩展驱动力,研究筒壁涂层在热对流作用下的边裂行为. 首先,利用拉普拉斯变换法,得到了瞬态温度场及热应力场的封闭解. 其次,运用Fett等的三参数法确定了筒壁涂层边缘裂纹的权函数. 最后,基于叠加原理和权函数方法计算了边缘裂纹的热应力强度因子. 探讨了无量纲时间、边缘裂纹深度、基体/涂层厚度比、热对流强度等参数对热应力强度因子的影响规律. 结果表明:热应力强度因子的峰值既非发生在热载荷初始时刻,也非发生在热稳态时刻,而出现在时间历程的中间时刻;增大热对流强度不仅可提高热应力强度因子的峰值,而且使峰值提前出现;其他条件相同时,热应力强度因子随着边缘裂纹长度的增大而降低;增大涂层厚度或减小基体厚度可增强涂层抵抗瞬态热载荷的能力.      

超临界CO2气爆煤体致裂机理实验研究

为提高超临界CO₂气爆低渗透煤层增透技术的应用水平,进一步研究超临界CO₂气爆煤体致裂机理,利用自主研发的超临界CO₂气爆装置,在多通道电液伺服相似材料试验台上,对原煤和混凝土大试件(1 m×1 m×0.5 m)进行了超临界CO₂气爆实验,用动态应变仪采集试件内部监测点处的变形和破坏信息,并用工业窥镜对爆破孔内裂隙分布进行了观测。分析气爆应力波的变化规律和气爆后试件的破坏形貌特征可知,距离气爆孔由近及远依次分为粉碎区、裂隙区和震动区,其形成机理为:超临界CO₂冲击气爆孔周围介质并形成远超介质抗压强度的球面纵波,介质在径向压应力作用下发生粉碎性破坏,形成粉碎区;应力波传播能量逐步衰减,不足以使介质产生压缩破坏,然而脆性材料抗压不抗拉,其产生的环向应力仍然使介质产生径向裂隙,应力波之后具有准静态加载作用的高压CO₂气体进入裂隙形成气楔,促使裂隙进一步发育和扩展,形成裂隙区;裂隙区以外的介质在低能量应力波的作用下只发生震动,未发生明显破坏,即震动区。裂隙的扩展速度与其到气爆孔距离符合“S”形曲线衰减,裂隙的高速扩展发生在粉碎区,低速扩展发生在裂隙区;距离气爆孔越远,测点的峰值应变越小,相同距离内节理裂隙等结构面越复杂,峰值应变减小的幅度越大且应变波形差别越大。     

铁基材料的冲击相变与“反常”层裂研究

冲击相变是冲击波物理的重要组成部分之一,它探索和揭示物质在冲击压缩下结构和物态变化的临界现象和规律。层裂作为冲击载荷作用下材料的一种常见破坏模式,它是材料内部大量微损伤在极短时间内经历了成核、长大、连接演化过程的最终结果,与材料内部拉伸应力波的作用过程密切相关。材料的冲击相变特性强烈影响其层裂行为,如何将二者有机结合,揭示二者的关联机制是目前国内外研究关注的热点。     

相变引起金属靶板异常层裂的应力波分析

 采用唐志平等提出的一种简单混合相相变本构模型,运用特征线分析方法,通过对靶板中弹塑性波和宏观相边界传播情况的分析,对一些异常层裂现象产生的机理给出了理论解释。分析表明,（逆）相变过程的发生会强烈地改变靶板中的冲击波波形,形成所谓的三波结构和稀疏冲击波,板中某些位置还可能出现驻定相边界,各波系间的相互作用更加复杂,从而可能导致一些特殊层裂现象的发生。     

改进SPH方法在陶瓷材料层裂数值模拟中的应用

为了探讨铝飞片撞击陶瓷材料时的层裂现象,采用改进SPH方法模拟应力波在陶瓷材料中的传播。结果表明,当离散粒子分布不均匀时,数值模拟计算的自由面速度时程曲线与实测曲线吻合良好。对比CSPM方法,改进SPH方法的精度更高。提出适用于数值模拟的陶瓷材料损伤演化方程,对脉冲载荷下陶瓷/钢层合板层裂的破坏过程进行数值模拟,结果表明,由于陶瓷的波阻抗高于钢的,且抗压强度远高于抗拉强度,因此拉应力引起的层裂破坏是主要的。即使在材料内部传播的只是弹性压缩波,当弹性波到达材料界面时,由界面反射引起的卸载波也能导致陶瓷发生层裂破坏。     

跨江海隧道功能梯度混凝土管片性能与寿命预测

采用功能/结构一体化设计的功能梯度混凝土管片(Functionally Gradient Concrete Segment,简称FGCS)具有优异的力学性能、抗裂性能、抗渗性能和耐火性能,尤其是其抗离子渗透性能,生产的FGCS的Cl-扩散系数为4.9×10-23m2·s-1,根据考虑多种因素作用下的Cl-扩散理论模型,其预测使用寿命在280年以上.FGCS的性能研究表明:与传统的钢筋混凝土管片相比,FGCS的防水、抗渗、抗蚀、抗裂性能以及耐火极限和抗冲击能力得到了显著提高.     

PMMA材料裂纹动态扩展及止裂研究

PMMA俗称有机玻璃,是一种用途十分广泛的工程材料,其裂纹动态扩展及止裂是工程应用研究的难点问题。以SHPB为动态加载装置,通过实验和仿真研究了含圆孔PMMA板的单边裂纹动态扩展问题,模拟结果与裂纹动态实验结果的对比验证了仿真模型的有效性。在此基础上,研究了PMMA板中的圆孔半径、预裂纹长度、止裂孔半径、止裂孔与裂纹尖端竖直位移等因素对裂纹扩展的影响。研究结果表明,圆孔半径和预裂纹长度对裂纹的起始扩展时间有明显影响,在裂纹尖端设置止裂孔可以有效地抑制裂纹的扩展,并且止裂孔半径、止裂孔与裂纹尖端竖直位移对止裂效果有显著影响。本文研究结果对PMMA材料工程应用有一定的参考价值。     

用于诊断材料微层裂的Asay窗技术

微层裂是冲击波物理领域的重要基础问题,在工程上具有重要应用价值。近年来用于诊断样品多层层裂的传统Asay窗技术被用于诊断微层裂,但对其诊断能力和信号特征认识仍存在严重不足。为此,通过波系分析,揭示出在薄飞片击靶的微层裂实验中样品破碎存在1个“痂片”特征区、2个微层裂特征区以及1个“残体”特征区。实验表明,在样品窗口间隙合适的条件下,Asay窗不仅能够有效区分这些不同特征分区,而且能够灵敏探测样品表面发射的高速微喷粒子,从而实现对样品连续破碎过程的精密诊断。     

强动载作用下孔洞汇合对延性金属层裂损伤演化过程的影响

针对强动载作用下延性金属的层裂问题,在分析孔洞之间几何关联的基础上,定义了一个新的耦合损伤及孔洞几何信息的孔洞汇合判定方法,同时,基于能量守恒原理,解析了孔洞汇合对损伤快速增长影响的物理机理.通过分析数值计算结果和对比相关文献的实验可知:孔洞汇合后不仅引起损伤增长,而且导致了损伤材料内部微孔洞数目的减少、孔洞平均尺寸的增加。     

利用GEANT4和FLUKA研究质子诱发散裂反应出射中子双微分截面

在中高能质子诱发散裂反应相关核工程设计中,可靠的蒙特卡罗模拟程序结合核反应理论模型具有较好的理论指导意义。本工作中,利用GEANT4耦合INCL4和ABLA理论模型以及FLUKA耦合PEANUT模型模拟计算了几百MeV至几个GeV质子轰击Be,Al,Fe,W,U等靶后30°,60°,120°,150°出射角产生的散裂中子双微分截面,并与现有实验数据进行了比较。结果发现,FLUKA和GEANT4模拟计算较好地再现了Al,Fe,W,U等靶实验测量数据。然而,模拟结果明显低估了Be靶出射中子能量小于10 MeV能区的实验数据。For the design of nuclear engineering related with medium-high energy proton induced spallation reaction,the reliable Monte Carlo simulation codes coupled with nuclear reaction models have a good theoretical guidance.In this work,the production spallation neutron double differential cross sections at 30°,60°,120°,150°emission angle for Be,Al,Fe,W,U target materials at incident proton energies between several hundred MeV and GeV are theoretically calculated by using the GEANT4 coupled INCL4 and ABLA,and the FLUKA coupled PEANUT.The calculated results were compared with the available experimental data.It is found that the GEANT4 and FLUKA calculations well reproduced the experimental measurement of Al,Fe,W,U target materials.However,calculations obviously underestimated the emission neutrons of Be target for lower than 10 MeV energy range.