3D打印石膏试件力学性质实验

3D打印技术目前已广泛应用在医疗、航空、汽车、建筑等领域,文中做了3D打印技术在岩石力学领域的应用尝试.利用3D打印技术制作两种类型的石膏试件进行实验室单轴压缩试验.实验表明：3D打印技术可以快速、精确、灵活地制作出所需复杂尺寸的试件;打印石膏试件密度较低;3D打印石膏试件具有强度低和塑性强的特性;简单标准试件的力学性质具有可重复性,含裂纹试件力学性质差异较大;含裂纹试件的制作尚存在技术上的困难.     

弹体高速侵彻混凝土的效应实验

利用高速侵彻设备进行了不同条件下弹体高速侵彻混凝土系列实验,探讨了高速撞击条件下弹体 侵彻能力、弹体侵彻稳定性、弹体变形和破坏等问题,揭示了混凝土中半流体侵彻阶段的典型特征:刚体侵彻 深度上限和对应的刚体侵彻初速上限、弹道弯曲、弹体严重侵蚀且伴随弯曲/断裂等。     

基于3D细观模型的混凝土动态压缩行为分析

通过建立混凝土的3D细观模型,在细观尺度上分析动态压缩荷载作用下混凝土材料内部裂缝的产生和发展、损伤演化和动态强度及其影响因素。首先,基于传统的“生成-投放”法生成粒径、形状和空间分布均随机的凸多面体粗骨料模型,并通过骨料沉降和粒径缩放实现粗骨料的大体积率（达50%）和可调控;使用四面体网格划分骨料和砂浆表征其真实物理形状;使用界面粘结接触表征界面过渡区（ITZ）提升计算效率。进一步通过对比不同粗骨料粒径混凝土的分离式霍普金森压杆（SHPB）试验数据与模拟结果,如杆上应变时程、试件动态应力-应变曲线和试件损伤破坏模式,验证了建立的混凝土3D细观有限元模型、参数确定方法和数值仿真方法的准确性。最后,分析了30～100 s-1应变率范围内骨料粒径（4～8、10～14和22～26 mm）、体积率（20%、30%和40%）和类型（石灰岩、花岗岩和玄武岩）对混凝土动态压缩强度的影响。结果表明：粗骨料粒径增大,混凝土动态压缩强度先增大后减小;粗骨料体积率越高,混凝土动态压缩强度越大;混凝土动态压缩强度随粗骨料强度的增加而提高。     

爆炸载荷作用下混凝土靶板动态响应的细观模拟

考虑到一些对裂纹要求较严格的混凝土结构可能遭受到冲击载荷的威胁,利用混凝土三维细观力学模型对混凝土板在炸药爆炸（接触爆炸、封闭爆炸）载荷作用下的响应和破坏情况进行数值模拟,并就影响靶板内裂纹扩展结果的因素展开参数讨论。模型考虑了混凝土材料的内部细观结构（包括粗骨料体积分数、尺寸、级配等）以及三相材料力学性能的影响,准确地预测了混凝土板在2种爆炸条件下的裂纹形貌和开坑尺寸。通过与宏观均质模型的模拟结果进行对比可知,细观模型预测的接触爆炸条件下混凝土靶板的开坑形态、尺寸,以及封闭爆炸条件下混凝土盖板的主裂纹数量,均与实验观察更为贴近。此外,参数研究结果表明,三维细观力学模型的全局网格尺寸以及模型内各组分的相对网格尺寸均会对模拟结果的精度产生影响,选择与空气网格尺寸相当的混凝土网格尺寸,可以在获得较准确模拟结果的同时保证计算效率;骨料粒径大小也会影响混凝土板在爆炸载荷作用下的响应和破坏结果。混凝土三维细观力学模型能够反映混凝土结构在冲击载荷作用下的损伤和破坏的细观机理及影响因素,对指导工程设计和结构安全评估具有重要的理论意义和实际应用价值。

     

爆炸加载下混凝土表面的裂纹扩展

为深入研究内爆加载下岩土类材料的破坏机理,提出了一种新的爆炸裂纹检测算法,采用数字图像相关方法测量表面位移场和应变场,建立了裂纹扩展和扩张模型,并通过混凝土内爆试验观测裂纹扩展过程,研究了裂纹长度扩展与宽度扩张规律。结果表明,裂纹长度扩展是应力波和爆生气体共同作用的结果,裂纹最大扩展速度为225.95 m/s,平均速度为122.27 m/s,裂纹总长159.92 mm,长度扩展止于1.75 ms;裂纹的张开由气体主导,最大宽度1.59 mm,作用时间长达4.5 ms;拉应变集中区先于裂纹出现,其形状决定了裂纹的走向和趋势,爆炸加载下断裂过程区长度为骨料粒径的8～9倍。

     

约束状态下聚能杆流对混凝土作用的实验研究

聚能杆流是多级串联战斗部次级装药的常用聚能侵彻体.基于两种典型的聚能装药结构,设计加工了有不同直径和深度预制约束孔的C35混凝土靶板,开展了(Φ60mm亚半球和K装药在不同约束状态侵彻毁伤混凝土对比实验研究.结果表明,两种聚能杆流都可在混凝土孔约束状态下形成大且深的侵彻孔;随约束孔径增大,侵彻深度先减小而后增加;随约束...     

3D打印混凝土各向异性力学性能研究

近年来,混凝土3D打印技术在土木建筑等领域取得了快速的发展和应用。与模板浇筑工艺不同,3D打印在逐行逐层堆叠的建造过程中引入了一定量的层间弱面和空隙,造成了细观非均质性;而且3D打印过程无法自动嵌入钢筋,制备纤维混凝土作为打印材料可有效改善力学性能。本文首先制备了一种适用于挤出型3D打印工艺的玄武岩纤维增强陶砂混凝土,将水平打印层作为XY平面,然后从三个正交方向加载,实验测试了3D打印混凝土的抗压、抗弯等力学性能,提出了各向异性系数及其评估方法。研究结果表明,对于单轴压缩,X方向强度最高,而对于抗弯性能,Y方向强度最高。纤维对挤出型3D打印材料的各向异性影响较大,纤维掺量越大,各向异性越大。     

平面飞片下气体绝热压缩后的聚能效应——两次不寻常的爆炸实验结果

揭示了可以展现垂直高速飞行的飞片在碰撞目的物的瞬间会产生极高速气流的聚能效应现象.在一般的爆炸压实实验中,飞片下的空间都是大气状态下的空气,空气量都很少,不会超过1 g,但在飞片高速飞行状态下,大多数气体很难向四周排出,最后形成绝热压缩气体,气流以万米/秒以上高速向四周喷射在出能量可切断很厚的钢板.这是从未被注意过的、...     

水下爆炸冲击荷载作用下混凝土重力坝的破坏模式

考虑混凝土的高应变率效应,构建重力坝水下爆炸全耦合模型,运用显式动力分析程序LS-DYNA,对水下爆炸冲击荷载作用下大坝动态响应进行分析,探讨大坝可能破坏模式及相应的破坏机制。研究表明,大坝破坏模式不仅与坝体的自身动力特性有关,还取决于炸弹起爆时的水下深度、爆心距及炸弹药量;重力坝坝头是抗爆性能薄弱部位,大坝可能破坏模式为上游迎爆面的爆炸成坑破坏、坝顶及坝下游面的震塌破坏、坝头与上游直面交接处及下游折坡附近的脆性冲切破坏并出现贯穿性裂缝破坏。     

爆炸荷载作用下模型介质裂纹扩展试验与分析

为研究爆炸载荷作用下裂隙介质裂纹扩展规律,以含人工裂隙的有机玻璃薄板为介质,分别以炮孔中心到人工裂隙垂直距离L和人工裂隙长度D为变量,采用单发雷管爆炸加载试验模型进行试验。试验结果表明,爆炸荷载作用将使裂隙介质形成径向裂纹、翼裂纹、层裂裂纹和似层裂裂纹;人工裂隙能够阻隔径向裂纹的扩展,径向裂纹的扩展对距离L比长度D更敏感;翼裂纹是爆炸绕射波或绕射波与压缩应力波共同作用产生的,翼裂纹的长度随距离L增加而降低;入射压缩应力波与反射拉伸应力波叠加形成的净拉伸应力拉裂介质形成层裂效应、引起径向裂纹弯曲形成似层裂效应,层裂裂纹和似层裂裂纹几乎平行于人工裂隙。研究结果可为裂隙岩体爆破设计、冲击矿压防治和结构工程防护等提供理论依据。     

Investigation on 3D fatigue crack propagation in surface-cracked specimens

In the present work the fatigue crack growth in AISI304 specimens is investigated experimentally. In 3D finite element analysis the virtual crack closure technique is applied to calculate distributions and variations of the stress intensity factor along the surface crack front. It is confirmed that the stress intensity factor along the surface crack front varies non-uniformly with crack growth. Crack growth rate is proportional to the stress intensity factor distribution in the 3D cracked specimen. The fatigue crack growth in surface cracked specimens can be described by the Forman model identified in conventional compact tension specimens. For crack growth in the free specimen surface the arc length seems more suitable to quantify crack progress. Geometry and loading configuration of the surface cracked specimen seem to not affect the fatigue crack growth substantially.     

三维爆炸与冲击问题的可视化研究

结合爆炸与冲击物理现象的特点,对三维爆炸场的可视化进行了研究,在三维多流体网格法基础上自行研制了三维爆炸场的可视化工具软件ViSC3D。利用ViSC3D,对两种复杂边界的爆炸场进行了可视化,详细地展现了爆炸场的概貌和局部细节,表明该软件效果较好。     

The deformation of the front of a 3D interface crack propagating quasistatically in a medium with random fracture properties

One studies the evolution in time of the deformation of the front of a semi-infinite 3D interface crack propagating quasistatically in an infinite heterogeneous elastic body. The fracture properties are assumed to be lower on the interface than in the materials so that crack propagation is channelled along the interface, and to vary randomly within the crack plane. The work is based on earlier formulae which provide the first-order change of the stress intensity factors along the front of a semi-infinite interface crack arising from some small but otherwise arbitrary in-plane perturbation of this front. The main object of study is the long-time behavior of various statistical measures of the deformation of the crack front. Special attention is paid to the influences of the mismatch of elastic properties, the type of propagation law (fatigue or brittle fracture) and the stable or unstable character of 2D crack propagation (depending on the loading) upon the development of this deformation.     

潜艇典型结构在爆炸冲击载荷作用下开裂判据的试验研究

试验研究了潜艇艇体用钢在爆炸冲击载荷作用下的动态极限应变。利用体积等效原理,得到了潜艇的两种典型结构在双向应变假设和单向应变假设下的动态开裂应变。试验结果可为潜艇艇体结构在爆炸冲击载荷作用下破损进水的数值仿真提供开裂判据。     

爆炸载荷下板条边界斜裂纹的动态扩展行为

为了研究爆炸应力波作用下板条边界斜裂纹的动态扩展行为,首先分析了爆炸应力波在含边界斜裂纹板条中的传播,其次采用动态焦散线实验方法,进行了爆炸载荷下板条边界斜裂纹扩展规律的实验研究.研究结果表明,爆炸应力波作用下,板条试件边界斜裂纹的扩展过程中,裂纹扩展速度、扩展加速度和裂尖动态应力强度因子随时间波动变化,扩展速度最大值...     

用三维有限元模型计算复合材料粘接修补裂纹板的J积分

用复合材料单边粘接修补带裂纹金属板是三维应力问题,而采用简化的二维有限元分析模型计算则有一定近似性。本文建立了三维有限元模型,并计算了其断裂参数J积分。计算分析结果表明,厚度方向上J积分值是变化的,并且修补边比未修补边的J积分值有明显减小;修补前后裂纹面的张开位移明显不同;裂纹板模型的J积分值与裂纹长度在修补前为二次关系,修补后,变成线性关系;粘胶和补片的厚度、粘胶的模量对J积分的影响比较显著。为了提高修补性能,需要对粘胶和补片的几何尺寸和材料性能进行优化。     

Limiting velocity of crack propagation in elastic materials

A crack is represented as a continuous set of linear dislocations. Simple analytical expressions are obtained for the potential and kinetic energies of the environment of moving cracks and the attached mass of cracks for an arbitrary form of the stress applied to the crack P(x). It is shown that the indicated analytical expressions are bilinear integrals of the functions P(x) and ∂P(x)/∂x. These integrals are calculated in explicit form for a constant stress over the entire crack length and the stress due to the action of molecular adhesion forces in a narrow region near the crack openings. It is shown that the calculation results does not depend on the form of molecular adhesion forces. The proposed approach to describing cracks and calculations based on it has made it possible for the first time to obtain a complete analytical expression for the limiting crack propagation velocity in elastic materials as a function of the main mechanical characteristics of such materials. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 50, No. 4, pp. 158–166, July–August, 2009.     

含不同充填物预制裂隙对爆炸裂纹扩展的影响

为了研究充填裂隙岩石动态断裂时裂纹扩展规律,以空气、黏土和水作为有机玻璃的预制裂隙充填材料,在炮孔与预制裂隙的不同夹角、不同距离条件下,通过单发雷管加载,对3种不同裂隙充填物的有机玻璃模型进行了起爆实验。结果表明:爆炸裂纹几乎都不会越过预制裂隙;空气充填模型裂纹总数、左端翼裂纹几乎全部大于黏土和水充填模型;最长裂纹分布位置和长度与反射应力波传播方向和能量有关;空气充填模型右端翼裂纹多随角度增大而增长,黏土充填模型右端翼裂纹则表现为先增后减;爆炸裂纹扩展对充填物种类具有敏感性。     

着靶速度对刚玉块石混凝土抗侵彻性能的影响

着重对不同着靶速度下,弹体在刚玉块石混凝土中的侵彻情况进行了试验。研究结果表明,弹体的侵彻深度不随靶速度的提高而增加。这与弹体在普通混凝土和岩石中的侵彻现象明显不同,主要是由侵彻弹体发生破坏失去了继续侵彻能力造成的。而且,与普通混凝土或岩石相比,着靶速度越高,刚玉块石混凝土的抗侵彻性能越强。     

动静荷载作用下岩石裂纹扩展应力阈值识别

压缩荷载作用下岩石裂纹扩展应力阈值的识别是理解岩石渐进破坏过程和分析岩石宏观破坏机制的重要基础。对大理岩、粗花岗岩和细花岗岩开展了单轴压缩和动态冲击试验,引入岩石裂纹轴向应变和裂纹径向面积应变两个参数,根据岩石单轴压缩破坏时裂纹径向面积应变曲线斜率的不同,把以上三种岩石分成类型Ⅰ（大理岩）和类型Ⅱ（粗花岗岩和细花岗岩）岩石。研究表明,对于类型Ⅰ和类型Ⅱ岩石,分别利用其裂纹轴向应变和裂纹轴向应变刚度曲线特征点能准确识别出岩石在静态压缩荷载下裂纹稳定扩展应力σ_sd、裂纹不稳定扩展应力σ_usd以及裂纹相互贯通应力σ_ct,证明了仅利用轴向应变数据就可对类型Ⅰ和类型Ⅱ岩石静荷载下应力阈值进行识别。而后将裂纹轴向应变法推广至动态冲击荷载下岩石的应力阈值识别,解决了动态冲击压缩载荷作用下试样难以进行裂纹扩展应力阈值识别的问题。与静态荷载下岩石的裂纹扩展应力阈值不同,在动态冲击荷载下,岩石裂纹稳定扩展应力与峰值强度的比值有所减小,裂纹不稳定扩展应力和裂纹相互贯通应力阈值相等,且与峰值强度的比值也有所减小,岩石产生更多的贯通裂纹,试样破坏时破碎程度更高。