地震预报的新途径--加卸载响应比理论

从力学角度看,地震的孕育过程实质上是孕震区介质的损伤演化过程,这个过程主要是一个力学过程．但解决与地震预测有关的力学问题与工程中的力学问题有许多不同之处．通常力学问题的解决需要知道其本构关系、边界条件、初始条件以及某些力学量的变化历史(如流变)．但是在地震孕育过程中它们却是未知的或不完全知道的．人们知道的只是地壳中某些物理量的变化．由此提出了加卸载响应比作为一种地震预测的新途径,并简述了加卸载响应比的基本概念、实际应用及一些最新结果．     

走进地震预测------加卸载响应比方法

概括介绍了加卸载响应比的基本思路、基本概念、物理基础、加卸载响应比在地震预测中的应用以及取得的一些成果. 加卸载响应比方法物理基础扎实, 只需利用地球内部的某些实测数据, 为地震预测提供了一条新的途径.     

地震孕育发展的力学过程和地震预报

地震的孕育发展,主要是和地壳的受力、变形、能量的逐步积累和集中、岩层突然断裂和错动、应变能释放、发生地震及震后的调整等有关的力学过程,同时伴随着地球物理、地球化学的变化,并且是与大气物理、天体物理等有联系的复杂过程。地震力的产生,与地球自转速率的变化、地球内部物质的流动与能量的转化等因素有关,是一个复杂的尚未完全弄清的问题。      

加卸载响应比理论在地质灾害预测领域的研究进展

加卸载响应比理论在非线性系统稳定性预测研究中已取得了长足的进展. 在分析加卸载响应比理论内涵的基础上,对加卸载响应比理论自身及其在地震和滑坡预测领域的研究现状进行综述,总结了其在应用中存在的不足之处,指出加卸载响应比理论研究与应用的发展趋势. 并就该理论的两个新进展进行分析,对促进该理论的发展具有一定的参考和借鉴意义.     

高应力岩体爆破卸荷过程中应变率及应变能特征

针对高应力岩体爆破开挖卸载问题,自制了一台轴向加、卸载实验测试平台,通过实验测试获得了爆破卸荷过程中岩杆的动态应变及应变率数据。实测数据表明：开挖面附近岩体的爆破加、卸载以及初始应力卸载应变率均在10⁻¹ s⁻¹量级以上,验证了高地应力区岩体爆破开挖卸荷是一动态过程。建立了初始应力卸载一维力学模型,揭示了卸载波的传播机制;通过分析爆破卸荷过程应变能密度的时空分布特征,建立了应变能密度与各阶段应变率变化规律的联系。结合实测数据,采用隐式-显式顺序求解方法,进一步分析了高应力区岩体爆破卸荷荷载各阶段应变率沿岩杆的变化规律。结果表明：爆破加载阶段的平均应变率沿杆件逐渐衰减,且衰减速度逐渐减小;爆破卸阶段平均应变率沿杆件也呈衰减趋势;而初始应力的应变能稳定释放,其平均应变率无衰减趋势。

     

复合材料层合板低速冲击损伤分析的连续介质损伤力学模型

针对复合材料层合板低速冲击损伤问题,提出了一种各向异性材料连续介质损伤力学模型,模型涵盖损伤表征、损伤起始判定和损伤演化法则3 个方面. 通过材料断裂面坐标下的损伤状态变量矩阵完成损伤表征,并考虑断裂面角度的影响,建立了主轴坐标系下的材料损伤本构关系. 损伤起始由卜克(Puck) 失效准则预测,损伤演化由断裂面上的等效应变控制,服从基于材料应变能释放的线性软化行为. 模型区分了纤维损伤和基体损伤,并根据冲击载荷下层内产生多条基体裂纹继而扩展至界面形成层间裂纹(分层) 的试验观察,引入基体裂纹饱和密度参数表征层间分层. 以[0₃/45/-45]_S 和[45/0/-45/90]_4S 两种铺层的复合材料层合板为例,预测了不同冲击能量下复合材料层合板的低速冲击损伤响应参数,试验结果证明了连续介质损伤力学模型的有效性.模型在不同网格密度下的计算结果表明单元特征长度的引入可以在一定程度上降低损伤演化阶段对网格密度的依赖性.      

地震学中的一些力学问题

地震是一种灾害性自然现象。在一次大地震发生时,可以造成房倒屋塌、山崩地裂和大量的人畜伤亡。因此地震预报问题就成为人们很关心的问题了。另外人们为了了解大地构造运动情况以及了解高温高压下的物质性质,也对地震发生的问题和有关现象感到兴趣。地震的孕育过程以及爆发过程虽是一个很复杂的物理过程(甚至还有物理、化学过程),但是其中有很大一部分是力学问题。在本文中我们仅限于力学方面的问题作一些介绍和讨论。     

聊聊动态强度和损伤演化

材料强度在传统上常理解为材料在外载荷下抵抗流动/变形和破断的能力。由流变阶段到貌似突发的破断,其实源于一个隐含的应变率/时间相关的损伤演化过程。动态损伤演化研究的难点在于损伤与流变总是耦合在一起发展的。研究发现,热激活损伤演化模型可成功描述材料宏观损伤的动态演化。在此基础上,从实测的含损伤演化的表观应力应变曲线,可将两者解耦分开,并可确定各自相关的材料参数。这一思路可推广到中医脉诊的客观化研究,通过脉搏波信息定量反演脉搏波系统的正常及病态本构关系,可诊断生命体偏离正常状态的程度(病情),这可视为一种广义的损伤演化和强度问题。上述思路还可推广到地震预报研究,即“对地球把脉”。与加卸载响应比理论相结合,通过相邻3处的地震波信息来反演地球相关板块含损伤演化的非线性载荷-响应曲线,再区分出损伤演化程度,将有利于改进地震预报,这可视为另一种广义的损伤演化和强度问题。     

全固态锂金属电池充放电内部损伤演化及刚度衰减实验研究

全固态锂金属电池(Li-SSB)因具有较高的安全性、灵活的可设计性以及较大的能量密度等优点,近年来受到广泛关注。针对固态电解质在长服役周期中的内部损伤演化及刚度衰减问题,采用高分辨率X射线计算机扫描成像重建技术(X-CT)对Li_6.4La₃Zr_1.4TaO₁₂(LLZTO)固态氧化物电解质在Li-SSB长周期充放电过程中的损伤演化过程进行研究。分别对Li/LLZTO/Li对称电池结构在0.3mA/cm²和0.5mA/cm²两种电流密度工况下不同循环次数的内部结构进行三维重建,利用图像的灰度特征提取方法定量得到了LLZTO电解质的内部孔隙演化规律;通过建立LLZTO固态电解质多孔结构的无量纲弹性模量模型,研究了LLZTO固态电解质充放电过程中的模量衰减效应。实验结果表明：Li-SSB中电解质的力学损伤速度随电流密度增大而增大,电池服役阶段电解质损伤程度与循环极化电压高度正相关,电池短路后电解质损伤演化呈现先剧烈后缓和的演化规律。上述结果揭示了在电化学循环过程...     

聊聊动态塑性和黏塑性

固体力学研究者致力于具有应力-应变本构关系（以下简称为形变型本构关系）的变形体的力学响应研究,而流体力学研究者致力于具有应力-应变率本构关系（以下简称为流动型本构关系）的流动体的力学响应研究。当涉及结构和材料的动态塑性时,到底应该用“塑性变形”还是“塑性流动”来表示？本文从宏观塑性本构理论和微观位错动力学机理两个角度,分别讨论并指出塑性本构关系属于流动型黏塑性率相关本构关系,且同时适用于加载和卸载;因而不应该用应力-应变图来描述塑性加-卸载过程。弹塑性本构关系则是一种形变型和流动型本构关系的耦合。

     

岩土力学虚拟实验仿真系统开发及其应用

数值试验是认识岩土材料细观与宏观力学行为的一种重要手段,是常规岩土力学实验的补充和延伸.本文以pfc颗粒流为平台,利用matlab和fish语言混合编程编写了岩土力学虚拟实验仿真系统,系统根据获取的岩土材料天然结构构造图像信息,可以生成含不同天然结构构造信息的岩土体试件.可以对不同规格试件实现伺服加卸载,可以监测任意点的应力应变信息,可以捕捉试件加卸载过程中的边界输入能量和摩擦能、动能及应变能的转换信息,捕捉试件的最终破坏形态和破坏过程中裂纹扩展信息及不同类型裂纹的数量演化信息.利用其可以研究岩土材料天然结构构造特征对其宏观、细观力学行为的影响.     

地球流变学研究现状

地球流变学研究地球介质的流变学性质、地质构造的形成和演化、地震的前兆及其发展、泥石流、岩浆流、冰川运动等地学问题。它是介于地球科学和力学之间的边缘学科。本文介绍地球流变学的进展,包括:岩石蠕变实验,利用观测数据反演地球流变学性质,岩石圈变形分析,动力热体系,地质构造、矿物颗粒的定向分布以及地震过程与流变学的关系。      

TiNi合金圆薄板的横向冲击特性实验

利用改装的霍普金森压杆装置对周边固支伪弹性TiNi合金圆薄板进行了冲击实验,初步得到了该结构在时空2个尺度上的动态力学响应的演变发展现象和规律,包括板中弯曲波的传播、相变区的演化和全场的离面位移等,并和A3钢做了对比。结果表明,由于圆板的二维扩散效应,冲击过程中仅在TiNi板中心很小区域(约5 mm)内形成相变区和相变铰,卸载后相变铰消失,钢试件则留下明显的残余变形。TiNi合金圆板的冲击特性受热弹性马氏体相变和逆相变的支配,不同于传统的弹塑性机制。

     

SDS水溶液作用下低煤阶煤体物理力学特性及损伤实验研究

为了探究SDS水溶液对低阶煤煤体物理力学特性的影响及损伤程度,采用十二烷基硫酸钠(SDS)水溶液为有机溶液,以低煤阶煤体(阜新长焰煤)为研究对象,通过电镜扫描、压汞实验、纵波波速实验和单轴压缩实验,对SDS水溶液浸泡前后煤样的微观孔隙结构、孔隙率、纵波波速、峰值强度及弹性模量进行表征,分析煤样在SDS水溶液作用下物理力学特性随浸泡温度的变化规律,并建立了SDS水溶液作用下受荷载煤样的损伤演化模型,探讨煤样损伤机制。结果表明:(1)经SDS水溶液作用后,煤样微观孔隙分布不均匀,孔隙率随浸泡温度增加而增加,在55℃时,孔隙率为57%,比原煤样孔隙率增加了46%;煤样纵波波速、峰值强度和弹性模量均随浸泡温度增加而降低,在55℃时,纵波波速、峰值强度和弹性模量分别为571m/s、6.73MPa、356MPa,比原煤样分别降低了416m/s、5.12MPa、1129MPa;(2)SDS水溶液与荷载的共同作用加剧了煤样的总损伤程度,表现出明显的非线性特征,煤样损伤在微观上表现为矿物质组成与结构的改变过程,宏观上表现为煤样力学强度的降低及抵抗破坏的能力减弱;(3)运用新的浸泡实验结果验证所提出的损伤演化模型,实验结果与损伤演化模型十分吻合,相关系数R~2=0.999,由此可见,该损伤演化模型具有良好的可靠性。     

基于概率地震需求分析的750 kV-SF6罐式断路器耦联体系地震易损性模型

变电站作为电力系统的枢纽,其抗震性能评估尤为重要,其中罐式断路器耦联体系是变电站中的重要设备之一。为研究750 kV-SF₆罐式断路器耦联体系的抗震性能,采用增量动力分析(IDA)以及概率地震需求分析(PSDM)相结合的方法评估了其地震易损性。首先分析了750 kV-SF₆罐式断路器耦联体系的结构特性和震损特征,构建了有限元模型。通过增量动力分析(IDA),以地面峰值加速度(PGA)为地震动输入参数,得到关键易损部位的地震响应。在此基础上,通过概率地震需求模型(PSDM)生成了每个易损部位在不同震损状态下的地震易损性曲线。最后,基于可靠度理论计算得到了750 kV-SF₆罐式断路器耦联体系的地震易损性模型。结果表明,可以确定该结构在不同PGA下发生完全、严重、中度和轻微损坏的概率,反映了结构的抗震性能水平,例如当PGA达到0.6g时,750 kV-SF₆罐式断路器耦联体系4种破坏状态的概率分别分0%,1%～5%,88%～93%和100%。     

锆基非晶合金的动态弛豫机制和高温流变行为

非晶合金的动态弛豫机制对于理解其塑性变形,玻璃转变行为,扩散机制以及晶化行为都至关重要.非晶合金的力学性能与动态弛豫机制的本征关联是该领域当前重要科学问题之一.本文借助于动态力学分析(DMA),探索了Zr₅₀Cu₄₀Al₁₀块体非晶合金从室温到过冷液相区宽温度范围内的动态力学行为.通过单轴拉伸实验,研究了玻璃转变温度附近的高温流变行为.基于准点缺陷理论(quasi-point defects theory),对两种力学行为的适用性以及宏观力学行为变化过程中微观结构的演化规律进行描述.研究结果表明,准点缺陷理论可以很好地描述非晶合金损耗模量α弛豫的主曲线.基于非晶合金的内耗行为,玻璃转变温度以下原子运动的激活能U_β为0.63 eV.与准点缺陷浓度对应的关联因子χ在玻璃转变温度以下约为0.38,而在玻璃转变温度以上则线性增大.Zr₅₀Cu₄₀Al₁₀块体非晶合金在玻璃转变温度附近,随温度和应变速率的不同而在拉伸实验中显示出均匀的或不均匀的...     

复合材料刚度性能表征的协同损伤力学模型

针对复合材料层合板的弥散型损伤,提出一个刚度性能表征的协同损伤力学模型. 该模型兼顾了微观物理损伤响应和宏观材料刚度性能表征. 从微观角度,建立细观RVE 模型求解裂纹表面张开位移和滑开位移,以此定义损伤张量,并在宏观上通过对材料应变和损伤表面位移进行均匀化处理,建立单向板或层合板的损伤刚度矩阵和损伤张量之间的联系. 以基体裂纹为例,详细分析并建立了横向裂纹和纵向裂纹的损伤本构. 计算了[±θ/90₄]_S 铺层层合板中基体横向裂纹对刚度性能的影响,结果表明该方法能够准确地预测复合材料层合板由损伤导致的刚度性能衰减.      

巷道壁面与瓦斯爆炸相互作用的数值模拟

通过物理机制分析,建立合理的巷道物理模型,并对燃烧爆炸反应模型中阻力系数C_D和湍流特征尺度L_t进行修正,模拟实际巷道内壁粗糙情况对瓦斯爆炸传播过程的影响,为模型计算提供修正参数。研究结果表明,巷道壁面条件对瓦斯爆炸过程有很大影响;C_D和L_t越大,爆炸峰值超压越大;当C_D＝3、L_t＝0.008时,模拟结果与实验值的偏差最小。

     

纤维增强陶瓷基复合材料的D失效判据

经典唯象强度理论适用于正交各向异性线弹性体.对于非线性纤维增强复合材料,通过加卸载试验和损伤力学的分析方法,可以得到一种虚拟的线性化应力-应变关系;依据损伤等效假设,针对线性损伤和非线性损伤,对基于应力的经典二次失效准则进行变换,建立了一种基于损伤的强度理论,即"D失效判据",这一强度理论可以作为经典判据的补充和扩展.针对平纹编织C/SiC复合材料的拉/剪组合试验,进行了实例计算,结果表明:利用D失效判据预测的失效包络线比蔡-希尔准则的预测曲线低,而且,失效曲线的形式与材料的损伤演化规律相关.     

K0超固结结构性黏土的本构模型

K₀固结黏土在自然界广泛分布, 其通常同时具有超固结性与天然结构性, 而K₀超固结性又与K₀正常固结性质存在很大差异. 为了有效的描述K₀超固结性质, 在结构性模型基础上, 做了如下三点改进, 使得原模型拓展为同时考虑K₀超固结特性与天然结构性影响的本构模型. (1)引入相对应力比来描述屈服面, 并引入初始各向异性转轴参量ξ来表达初始各向异性对屈服面在p-q空间的位置影响. (2)基于给定的屈服面方程, 推导得到变相应力比参量, 并将变相应力比引入到统一硬化参数中, 利用统一硬化参数可以有效描述初始各向异性固结黏土在剪切加载下的剪缩与剪胀, 应变硬化及软化现象. (3)引入反映结构性胶结强度性质的胶结参量p_e, 并给出p_e随塑性偏应变的衰减演化方程, 利用胶结参量可描述结构性黏土的剪胀特性. 预测与试验结果对比表明, 所提的K₀超固结结构性模型可有效描述K₀超固结黏土的刚度提高效应, 黏土的包辛格效应, 结构性黏土胶结强度的损失现象以及结构性黏土的应变软化现象. 证明了所提模型的适用性以及合理性.