含水率对非饱和钙质砂动力特性影响的试验研究

使用经过系统标定的霍普金森压杆试验装置对不同含水率钙质砂进行了在准一维应变条件下的动态压缩试验,试样的平均应变率为209～1 137 s?1。试验结果表明:半导体应变片灵敏系数和压杆弥散关系的标定对试验结果的准确性具有重要影响;当钙质砂应变小于0.025时潮湿试样的切向模量高于干燥试样,而在应变大于0.025时则相反;潮湿钙质砂的切线模量随含水率的增加先减后增。通过分析非饱和钙质砂在锁变后其轴向应力应变曲线及侧压力系数的变化规律,提出了非饱和钙质砂锁变现象的模型。     

循环冲击下大理岩的损伤力学行为及能量耗散特性

为了研究循环冲击荷载作用下大理岩的动态力学行为和能量耗散特性,首先采用分离式霍普金森压杆,通过试冲法确定出5种代表性的入射子弹速度,据此完成了大理岩试样的等幅循环冲击试验,并对试样的应力均匀性进行了检验。接着,从应变率时程曲线、应力-应变关系、冲击次数和能量耗散特性等方面对测试数据进行了系统分析。最后,基于能量演化定义损伤变量,探讨了能量耗散与岩样损伤发展之间的关联机制。结果表明：试样应变率时程曲线在低弹速下会出现变化率恒定的平台段,应力-应变曲线在峰后阶段均产生一定的回弹;随着循环次数的增加,试样峰值应力总体减小,而峰值应变、平均应变率和累积比能量吸收值则变化趋势相反,且在临近破坏或开裂前其变化速率呈现突增现象;峰值应力与平均应变率存在明显的线性关系,弹性模量随平均应变率的变化整体上符合指数衰减规律;试样的耗散比能与平均应变率之间呈线性正相关,基于能量耗散定义的损伤变量可以较好地表征该大理岩试样动载下的损伤破坏过程。     

考虑颗粒形状和破碎的胶结钙质砂力学行为离散元模拟研究

质砂作为一种建筑材料,近年来广泛应用于我国南海岛礁工程建设中。本文通过建立考虑钙质砂真实颗粒形状和颗粒破碎的胶结钙质砂离散元模型,研究了二维剪切条件下试样的宏微观力学行为,包括应力-应变行为、颗粒破碎、胶结破坏、位移场和裂纹随剪应变的演化规律,讨论了颗粒形状、颗粒粒径范围、颗粒强度和水泥胶结强度对胶结钙质砂力学行为的影响规律。结果表明,钙质砂颗粒粒径区间越宽,胶结钙质砂的强度越高。同一级配条件下,考虑真实颗粒形状的胶结钙质砂试样比圆颗粒试样的强度更高,试样总体颗粒破碎率也更高。钙质砂颗粒的强度越高,胶结钙质砂的性能越好。但是提高水泥的强度对胶结钙质砂力学性能的影响并不显著。本文的研究结果可为实际工程中钙质砂的加固提供理论依据。     

珊瑚砂应变率效应研究

为研究应变率对珊瑚砂力学特性的影响,用直径37 mm的分离式Hopkinson压杆（SHPB）对两类珊瑚砂进行了冲击实验,得到了460~1300 s?1应变率范围内不同密实度的一维应变压缩应力-应变关系;结合准静态（10?4 s?1）压缩的实验结果,发现珊瑚砂存在明显的应变率效应;通过对比两类砂物理特性,认为应变率敏感性与内孔隙和粒间摩擦密切相关;提出了率型本构模型中动态增强系数的计算模型,可为珊瑚砂在冲击下的数值计算提供理论依据。     

沙漠砂混凝土动态力学性能实验研究

采用直锥变截面式Φ74mm分离式霍普金森压杆,对不同替代率沙漠砂混凝土进行冲击压缩实验,得到了不同替代率沙漠砂混凝土在不同应变率下的应力应变曲线。分析应变率对沙漠砂混凝土峰值应力、峰值应变和比能量影响,揭示了沙漠砂替代率对沙漠砂混凝土峰值应力影响规律,并对沙漠砂混凝土动态破坏模式进行研究。研究表明:随着应变率增加,沙漠砂混凝土峰值应力、强度增强因子、比能量和峰值应变逐渐增大;在同一应变率下,随着替代率增加,沙漠砂混凝土峰值应力逐渐减小。本文研究结果可为沙漠砂在工程中的应用提供指导和借鉴。     

高强钢纤维混凝土冲击压缩特性试验研究

采用大尺寸SHPB装置 ,对钢纤维体积分数在 0～ 6 %的高强钢纤维混凝土进行冲击压缩试验 ,得到应变率约 10 0s-1下的应力 应变全曲线及方程 ,给出抗压强度与应变率的关系 ,讨论了钢纤维含量对冲击强度的影响。     

递进式凸轮加载的中等应变率实验技术

研制了一种可以实现多次加载的凸轮递进式中应变率压缩实验系统。该实验装置采用伺服电机驱动蓄能飞轮转动,后蓄能飞轮带动加载凸轮压缩加载杆的方法,实现对试样中应变率的压缩;同时在一级压缩即将结束时步进电机迅速推动蓄能飞轮贴近加载凸轮,实现多级压缩。试样的动态压缩载荷通过两侧杆上粘贴的应变片所记录的应变信号得到;试样变形过程通过激光干涉测速系统测得的试样两侧杆端的运动速度信号得到。以纸蜂窝试样为例,基于研制的中应变率实验系统,并结合高速摄影图片,研究了厚度10 mm、直径14.5 mm的纸蜂窝试样在应变率3.5 s^-1下的动态压缩力学性能,得到了单级压缩和两级压缩过程中纸蜂窝试样的应力-应变曲线和变形过程,并讨论了该实验系统的可靠性。此实验系统可以实现多级递进式中应变率加载;纸蜂窝试样在中等应变率下的峰值强度和平台应力对高应变率下的动态压缩实验数据和低应变率下的准静态实验数据进行了较好地衔接;试样的失效模式主要为准弹性变形后的外壁屈曲和面内剪切。     

经历不同高温后砂岩的动态力学特性实验研究

运用RX3 -20 -12型箱式电阻炉将砂岩试样分别加热至100、200、400、600、800和1 000℃,然后自然冷却至常温,制成经历不同温度的砂岩试件。运用直径为100mm的分离式Hopkinson压杆装置,用薄圆形紫铜片作为波形整形器,以不同弹速轴向冲击砂岩试样,测试经历不同温度后砂岩试样在不同冲击荷载下的动态力学性能,得出了砂岩的应力-应变曲线及各自的破坏形态。结果表明:常温下砂岩的动态压缩破坏的应力-应变曲线具有明显的4阶段特征,但经历100~400℃作用的砂岩应力-应变曲线的平台段消失,温度继续升高时平台段又重新出现;砂岩的峰值应变随温度升高而升高,动态压缩强度也随温度升高而升高,但在800℃以后陡然下降;砂岩的动态压缩破坏形态受温度和冲击荷载的共同影响,冲击荷载越大破碎程度越大,而且破坏过程总是由外层向内芯发展。     

酚醛层压材料的冲击力学行为及本构模型

为了研究酚醛层压材料的冲击力学行为并获得本构模型,利用万能试验机和整形修正的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对材料试样进行了应变率范围为10-3~103 s-1的单轴压缩实验,得到了不同加载应变率下的应力应变曲线,对其在准静态、动态载荷下的压缩破坏机理进行了初步探讨。结果表明,酚醛层压材料具有较强的应变率效应,与准静态(1.67×10-3 s-1)时相比,在动态载荷(7×102 s-1)下,峰值应力增加了约10倍;破坏应变减少了约一半;在准静态和动态加载条件下试样力学性能的差异是由于纤维基体界面特性以及不同应变率下破坏模式的不同;采用朱-王-唐本构方程描述了酚醛层压材料力学行为,拟合得到了本构方程的系数,在加载过程中,理论计算值与实验结果吻合较好。     

炮钢材料等离子淬火后动态力学性能研究

为提高炮钢材料在较高冲击作用下的动态力学性能,采用等离子淬火技术对炮钢材料进行表面处理,并使用分离式霍普金森压杆(SHPB)系统对原始炮钢材料与等离子淬火后的炮钢材料进行对比分析,方法为对两种试样在试验前后的长度压缩量以及二者在不同应变率下的动态应力-应变曲线进行比较。结果表明,随着应变率的增加两种试样的应力-应变关系、屈服强度都有不同程度的强化效应,都表现出一定的应变率敏感性;在相同气压下两种试样在长度方向上都产生了一定的塑性变形,但淬火试样的压缩量明显小于原始试样。并且气压相同时试样经过等离子淬火后其抗冲击性能有显著提升,具体表现为应变与应变率降低,屈服强度与极限强度升高。     

钙质砂的准一维应变压缩试验研究

利用?100 mm的Hopkinson压杆研究了不同预压力条件下,受侧限约束的钙质砂在500～800 s^-1应变率范围、0～200 MPa压力范围内的动态力学特性,并利用HUT106D万能材料试验机研究了相同条件钙质砂在2×10^-3 s^-1应变率、0～120 MPa压力范围内的静态力学特性。研究发现,当再次加载超过一定值后,预压力对钙质砂力学特性的影响不大;Tait物态方程可以描述钙质砂的静态容变关系及高压下的动态容变关系;钙质砂的体积压缩过程存在应变率效应。     

钙质砂介质中爆炸波传播规律的试验研究

开展了一系列钙质砂和石英砂的地面爆炸试验，主要对比分析了两种砂土介质中爆炸波的传播规律，包括峰值压力、弹塑性波速及升压时间、爆坑尺寸等。试验结果表明，爆炸波在钙质砂中的传播与在石英砂中存在较大差异：地面爆炸作用下钙质砂爆坑较石英砂爆坑的直径和深度更小，且成坑形状为两阶同心圆；钙质砂中弹性波速为236～300 m/s，石英砂中弹性波速为218～337 m/s，弹性波速和塑性波速均随炸药质量增加而增大；爆炸波在钙质砂中的升压时间随比例距离的增加而增加，而在石英砂中升压时间随比例距离变化不明显，且较钙质砂中升压更迅速；在地面爆炸作用下，低含水率钙质砂的衰减系数为2.86，石英砂为2.79。     

钙质砂的胶结性及对力学性质影响的实验研究

对南海钙质砂进行了三轴实验研究,重点针对不同胶结情况下的力学性质,如不同胶结材料和含量的变化对强度和应力应变特性的影响等。研究表明,钙质砂具有与陆源砂不同的性质,它的内摩擦角高达48°,远大于一般陆源砂的35°左右;在低围压下钙质砂表现出剪胀性,但随围压增加剪胀性降低;利用硅酸盐水泥作为胶结材料效果较好;随着水泥含量的增加,钙质砂试样的强度增加。     

风沙影响下铁路道碴变形模量的离散元数值分析

针对风沙区有碴铁路道床的结构特性,对其在细沙贯入下的有效变形模量研究有助于理解风沙影响下的道床动力特性。采用离散单元模型对道碴碎石和细沙颗粒进行数值建模,并对不同含沙率γ下的有效变形模量进行了数值分析。结果表明,在低含沙率下(γ<30%)沙石混合体的变形模量基本保持不变,在高含沙率下(γ>30%),变形模量随含沙率的增加呈线性降低,以上变形模量随含沙量的变化规律与试验结果相一致。基于离散单元模型的数值模拟,在细观尺度上对沙石混合体的力链强度、空间分布及配位数进行了分析,揭示了沙石混合体有效变形模量随含沙量变化的内在机理。本文工作对风沙区有碴铁路道床力学行为的研究具有一定的借鉴意义,有助于促进风沙影响下有碴铁路道床的结构设计和沙害治理。     

Effect of Compressive Straining on Nanoindentation Elastic Modulus of Trabecular Bone

Trabecular bone with its porous structure is an important compressive load bearing member. Different structural factors such as porosity, non-homogeneous deformation, varying trabeculae thickness, connectivity, and nanoscale (10 nm to 1 μm) to macroscale (~0.1 mm to 10 mm) composition hierarchy determine the failure properties of trabecular bone. While the above factors have important bearing on bone properties, an understanding of how the local nanoscale properties change at different macroscale compressive strain levels can be important to develop an understanding of how bone fails. In the present work, such analyses are performed on bovine femoral trabecular bone samples derived from a single animal. Analyses focus on measuring nanoindentation elastic moduli at three distinct levels of compressive strains in the bone samples: (1) when the samples are not loaded; (2) after the samples have been loaded to a strain level just before apparent yielding and the macroscale compression test is stopped; and (3) after the samples have been compressed to a strain level after apparent yielding and the macroscale compression test is stopped. Nanoindentation elastic modulus values are two orders of magnitude higher than the macroscale compressive elastic modulus values of all samples. A high variability in macroscale compressive elastic modulus values is observed because of porous architecture and small sample size. Nanoindentation elastic modulus values show a progressive reduction with increase in the extent of macroscale compressive deformation. Apparent yielding has a significant effect on this trend. The decrease in nanoindentation modulus value for all samples accelerates from approximately 20% before yielding to approximately 60% after yielding in comparison to the nanoindentation modulus values at 0% strain level. The level of variation in the predicted nanoindentation modulus values is the lowest for uncompressed samples (~16–18%). However, with increase in the extent of compression, the level of variation increases. It varied between 50% and 90% for the samples tested after yielding showing a widespread heterogeneity in local nanoscale structural order after apparent yielding. Scanning electron microscope (SEM) observations suggest that apparent yielding significantly destroys local nanoscale structural order. However, quantitative results suggest that a significant residual nanoscale stiffness varying from 5 GPa to 8 GPa among different samples still remains for possible repair facilitation.     

Soil displacement beneath an agricultural tractor drive tire

Soil strain transducers were used to determine strain in an initially loose sandy loam soil in a soil bin beneath the centerline of an 18.4R38 radial-ply tractor drive tire operating at 10% travel reduction. The initial depth of the midpoints of the strain transducers beneath the undisturbed soil surface was 220 mm. Strain was determined in the vertical, longitudinal, and lateral directions. Initial lengths of strain transducers were approximately 118 mm for the longitudinal and lateral transducers and 136 mm for the vertical transducer. The tire dynamic load was 25 kN and the inflation pressure was 110 kPa, which was a recommended pressure corresponding to the load. In each of four replications, as the tire approached and passed over the strain transducers, the soil first compressed in the longitudinal direction, then elongated, and then compressed again. The soil was compressed in the vertical direction and elongated in the lateral direction. Mean natural strains of the soil following the tire pass were −0.200 in the vertical direction, +0.127 in the lateral direction, and −0.027 in the longitudinal direction. The mean final volumetric natural strain from the strain transducer data was −0.099, which was only 35% of the mean change in natural volumetric strain calculated from soil core samples, −0.286. This difference likely resulted from the greater length of the lateral strain transducer relative to the 69 mm lateral dimension of the soil cores. The strain transducer data indicated the occurrence of plastic flow in the soil during one of the four replications. These results indicate the complex nature of soil movement beneath a tire during traffic and emphasize a shortcoming of soil bulk density data because soil deformation can occur during plastic flow while soil bulk density remains constant.     

爆炸波在非饱和钙质砂中的传播规律

以球形TNT药包作为爆源,在密实的非饱和钙质砂中进行了一系列大尺寸爆炸模型试验。主要研究在不同药包质量、埋深及砂土试样含水率条件下,密实钙质砂中爆炸波的主要基本参数随传播距离增加而变化的规律。试验结果表明爆炸波主要以弹塑性波的形式在密实钙质砂中传播,在干燥和潮湿试样中塑性纵波波速随试样初始密度的增大或含水率的降低而增大,且范围分别为250～282 m/s和302～339 m/s。集团装药情况下,非饱和钙质砂中封闭爆炸的临界比例埋深约为2.25 m/kg1/3。在试验范围内,密实钙质砂中爆炸波的法向应力峰值及法向比冲量的衰减均服从爆炸相似律。封闭爆炸时,干燥钙质砂中爆炸波的应力衰减指数在测点比例爆心距大于或小于0.75 m/kg1/3处分别为2.94或1.37;潮湿钙质砂中爆炸波的应力衰减指数随含水率升高而增大,其范围为1.39～1.79。法向比冲量衰减指数随试样含水率升高而减小,其范围为0.97～1.18。     

侧限压缩下干燥砂的动态力学性能

通过添加波形整形器的分离式霍普金森压杆(SHPB),研究了侧限条件下干燥砂在不同应变率和 不同预压时的动态压缩力学性能,并利用MTS810材料实验系统,研究了干燥砂的准静态压缩应力应变曲 线。实验采用的材料为硅基细颗粒干燥砂,粒径分布范围为150~245m,自然堆积状态的密度为 1.40g/cm3。研究发现,应变率对干燥砂压缩过程影响不大,而不同的预压对实验结果影响显著。     

Penetration of Cylindrical Projectiles into Saturated Sandy Media

The time and depth of vertical one-dimensional projectile penetration into sandy media in the near shore region are derived. A precise definition for the physical properties and for the behavior of the sandy medium following the projectile impact are evaluated. Three separate time intervals following projectile impact are identified. During the first 3 ms of penetration, the deviatoric friction stress is shown to be negligible and the integrated Mie–Grüneisen equation of state (or, equivalently, the Hugoniot-adiabat) may be applied to compute the normal penetration resistance force from the sand pressure. In order to compute sand pressure as a function of the sand density D by the integrated Mie–Grüneisen equation of state, the Mie–Grüneisen dimensionless constants γ₀ and s and the dimensional speed of sound C ₀ in the sandy medium are required. In order to illustrate the one-dimensional shock wave propagation in both wet and dry sands, Hugoniot data for wet and dry silica sands are evaluated by a three degrees of freedom algorithm to compute these required constants. The numerical results demonstrate that the amplitude of the shock wave pressure in the wet silica sand (41% porosity) is approximately one-third of the shock wave pressure amplitudes in the dry silica sands (22% and 41% porosity). In addition, the shock wave pressure dampens quicker in the wet sand than in the dry sands.