金属材料的强度与应力-应变关系的球压入测试方法

压入法获取材料单轴应力-应变关系和抗拉强度对服役结构完整性评价有重要的基础意义.假定材料均匀连续、各向同性、应力应变关系符合Hollomon律,基于能量等效假定,即代表性体积单元(representativevolume element, RVE)的vonMises等效和有效变形域内能量中值等效假定,本文提出了关联材料载荷、深度、球压头直径和Hollomon律的四参数半解析球压入(semi-analyticalspherical indentation,SSI)模型.通过球压入载荷-深度试验关系获得材料的应力-应变关系和抗拉强度.考虑压入过程中的损伤效应,针对金属材料提出了用于球压入测试的材料弹性模量修正模型.对11种延性金属材料完成了球压入试验,采用本文提出的球压入试验方法测到的弹性模量、应力-应变关系和抗拉强度与单轴拉伸试验结果吻合良好.      

钢筋锈胀引发混凝土保护层开裂破坏的细观数值研究

钢筋锈蚀膨胀引起保护层混凝土开裂是影响钢筋混凝土结构耐久性和服役寿命的重要因素。考虑到混凝土细观结构组成对保护层破坏模式的影响,从细观角度出发,将混凝土看作由骨料、砂浆基质及两者间界面过渡区组成的三相复合材料,建立了描述钢筋锈胀力学行为的混凝土随机骨料模型。采用塑性损伤本构关系模型来表征砂浆基质和过渡区界面的力学行为,假定钢筋均匀锈蚀,对钢筋锈胀引起的混凝土保护层开裂破坏过程进行了细观数值研究。对比了宏观均匀模型与细观非均质模型下获得的保护层破坏模式,探讨了径厚比(c/d)、钢筋位置(中部和角区)及混凝土拉伸强度对保护层破坏模式及保护层胀裂时钢筋锈蚀水平的影响,得到了一些有益结论。     

THE FATIGUE CONSTITUTIVE MODEL OF CONCRETE BASED ON MICRO-MESO MECHANICS

该文致力于混凝土疲劳损伤发展机理的微细观解释. 以速率过程理论为基础,通过考虑裂纹断裂过程区中的水分子动力作用,在细观尺度上建立了具有物理机理的疲劳损伤能量耗散表达式. 结合细观随机断裂模型,以宏观损伤力学为框架,建立了疲劳损伤演化方程. 通过数值模拟,计算了单轴受拉时的疲劳损伤演化以及不同加载幅度下的疲劳寿命. 与相关试验结果的对比显示出该文模型能够很好地表现混凝土材料的疲劳损伤演化过程.     

多轴加载下混凝土细观破坏模拟的强度准则探讨

实际工程结构中混凝土材料大多处于双轴或三轴的复杂应力状态,已有的细观力学数值研究工作大多针对单轴加载问题,对于双轴或者三轴加载条件下混凝土破坏模拟的研究相对较少。复杂受力条件下的混凝土材料破坏模拟中,细观组分强度准则选取的合理与否将成为混凝土破坏模式及宏观力学性能数值研究准确和成功与否的关键。本文旨在探讨单轴强度准则,如最大拉应变准则在多轴加载条件下混凝土破坏过程研究中运用的合理性。鉴于此,首先在细观尺度上建立了混凝土试件的二维随机骨料模型,分别采用弹性损伤本构关系模型及塑性损伤本构关系模型来描述细观组分(即砂浆基质)的力学性能,对双轴加载条件下混凝土的细观破坏过程进行数值模拟,对比了单轴强度准则和多轴强度准则下混凝土试件破坏路径及宏观应力-应变关系的差异。数值结果表明,简单的单轴强度准则难以反映双轴加载下混凝土内部应力状态的复杂性,不宜采用单轴强度准则来描述多轴加载下混凝土的破坏行为。     

金属材料力学性能的辐照硬化效应

开展金属材料力学性能的辐照硬化研究对抗辐照材料的设计及工程应用具有重要意义. 材料辐照损伤效应主要包括材料原子移位产生的辐照缺陷以及由核反应产生的氢、氦等气体杂质对材料性能的影响. 金属材料的辐照效应主要包括辐照硬化、辐照脆化和辐照蠕变等. 该文主要综述在低温(T < 0.3 T_m, T_m 是材料的熔点温度) 和低辐照剂量下, 由原子移位损伤产生的辐照缺陷所导致的辐照硬化行为, 即受辐照缺陷的影响, 材料的强度会升高. 材料的晶粒尺寸、晶界以及温度等因素对多晶材料的辐照硬化具有重要影响. 金属材料力学性能的辐照硬化研究是个多尺度问题, 其宏观力学性能既取决于微观尺度上辐照缺陷导致晶粒内部结构的变化, 也取决于细观尺度上晶粒间的相互作用. 该文从实验结果、数值模拟和理论模型三方面综述金属材料力学性能的辐照硬化研究进展. 在此基础上, 展望了该领域中存在的主要科学问题.      

三维DIC在GFRP锚杆拉伸力学性能测试中的应用

随着玻璃纤维增强塑料(GFRP)广泛运用于轨道交通及边坡加固中,其力学性能的测试显得尤为重要。基于三维数字图像相关(DIC)方法,研究了三种不同加载速率下GFRP锚杆的拉伸力学性能,分别得到了应力-应变曲线及弹性模量、抗拉强度、最大力总延伸率等参数。实验结果表明,螺旋状变截面锚杆的轴向应变呈非均匀分布,由三维DIC得到的锚杆弹性模量结果一致性优于传统的接触式引伸计方法,GFRP锚杆几乎呈线性分布的应力-应变曲线表明该材料为典型的脆性材料。     

Tensile failure of micro-concrete: from mechanical tests to FE meso-model with the help of X-ray tomography

In this work, concrete is studied at meso-scale (aggregates, macro-pores and mortar matrix), where the local failure mechanisms are known to drive the macroscopic behaviour of the material. In order to highlight the impact of the mechanical and morphological properties of each phase (along with their interfaces), micro-concrete specimens are prepared with rather small dimensions compared to the size of the heterogeneities. X-ray tomography is used to reliably obtain the morphology of the heterogeneous meso-structure, which is then given as an input to a 3D FE meso-model with enhanced discontinuities. A uniaxial tensile numerical simulation is performed as a first application. To validate the numerical model, a uniaxial tensile test of the same micro-concrete specimen is performed inside the X-ray scanner and the in-situ evolution of the micro-structure is followed. Thus, both a direct validation of the model and a valuable insight of the 3D fracture mechanisms while the load progresses are obtained. After identification of the numerical parameters, comparison of experimental and numerical results reveals the capability of the meso-model to reproduce the actual material response (in terms of macroscopic strength, Young’s modulus and fracture patterns), with the explicit representation of the meso-scale heterogeneities being its key feature. To further challenge the meso-model, a new morphology coming from an X-ray scan of another characteristic micro-concrete specimen is introduced and its macroscopic behaviour is computed without a priori numerical identification. Starting from an X-ray scan in meso-scale, it is shown that the 3D meso-model is capable to predict the macroscopic behaviour and the failure patterns of the material.

     

LIMIT STATE DETERMINATION FOR A SUBWAY STATION STRUCTURE BY INCREMENTAL DYNAMIC ANALYSIS1)

-5 表征地下结构抗震性能的研究不多,而性能化设计方法需要确定结构物在地震作用下的极限状态. 本文根据地铁车站特点,从结构变形性能和止水性能两个方面定义了抗震性能的四个极限状态,并以结构最大层间位移角 作为特征指标. 以上海某多层地铁车站为背景,建立了土--结构二维有限元模型,采用增量动力分析法 研究该类结构的抗震极限状态,建立了增量动力分析法的地震动强度指标结构底部峰值加速度与结构性能指标最大层间位移角 的关系曲线,给出了该地铁车站结构4个极限状态的最大层间位移角界限值.     

基于一类非局部宏-微观损伤模型的混凝土典型试件力学行为模拟

混凝土是一类典型的准脆性材料, 其受力过程中的非线性分析与裂纹模拟依然是具有挑战性的问题. 经典的断裂力学与损伤力学分别从间断与连续的视角对裂纹拓扑进行了描述, 是早期人们研究固体破坏问题的有力工具. 21世纪以来, 相场理论和近场动力学在预测裂纹的萌生、扩展与非线性分析方面取得了重要的进展. 最近, 结合统一相场理论与近场动力学的基本思想, 发展了一类非局部宏-微观损伤模型. 该模型引入物质点偶的概念来刻画由于变形引起的微细观损伤, 对微细观损伤在作用域中进行加权平均得到定量描述物质不连续程度的拓扑损伤. 通过具有物理机制的能量退化函数, 将拓扑损伤嵌入到连续介质-损伤力学的框架中, 这使得该模型在进行非线性分析的同时可以自然地进行裂纹模拟, 而毋须预设初始裂纹与裂纹扩展路径. 本文考虑细观物理参数的空间变异性, 采用非局部宏-微观损伤模型进行混凝土试件受力全过程的精细化模拟. 通过一维建模标定模型细观参数, 并探讨了细观参数与混凝土材料细观物理-几何特性之间的内在关联, 在此基础上采用二维模型进行精细化分析. 进而, 考察了材料参数空间变异性对混凝土单轴受拉试件和带缺口三点弯曲试件力学行为的重要影响. 本文的研究工作为非局部宏-微观损伤模型细观参数的试验标定与复杂应力状态下混凝土等准脆性材料的非线性力学行为研究提供了有意义的参考.      

SHOCK WAVE LOADING OF CONTACT SURFACE DETONATION MODE

基于叠加原理,利用炸药接触面起爆方式,实现对可压缩固体材料的矩形波加载. 通过联立爆炸产物和可压缩固体的（u,p）曲线以及综合考虑炸药与材料试件各自由边所受稀疏波干扰情况,从理论上给出冲击波平台压力和冲击波加载平台宽度的计算方法,为将来利用接触爆炸实现对材料试件的近似矩形波加载提供理论基础.     

沥青混合料的粘弹性疲劳损伤模型研究

从沥青混合料的黏弹性本构模型出发，按应变等效假设 将损伤引进本构模型，推导周期应力条件下含损伤的耗散能表达式，进而得到黏弹性损伤演 化方程和疲劳方程；该模型可以综合反映应力、加载频率和温度的影响，适合用来分析沥青 路面的疲劳损伤问题；利用MTS开展了沥青混合料的疲劳损伤试验，确定了相应的黏弹性疲 劳损伤模型参数，据此开展了模型验证，结果表明模型与实测值之间相关性很好.     

LY12铝疲劳裂纹在冲击载荷下的演化研究

对LY12铝合金在低周疲劳条件下的裂纹情况和随后进行的动态拉伸条件下裂纹的发展给予了观察和统计分析，发现裂纹的累积数密度分布在损伤演化过程中保持指数形式，用NAG模型对实验结果进行分析，得出该材料裂纹演化发展方程的各种参数。     

气相和微颗粒污染物在城市环境中的传输扩散

城市大气边界层中污染物传输扩散, 包括气相和微颗粒(PM), 是一个日益关注的问题. 本文结合笔者及合著者近些年来的工作, 试图综述在这方面研究的最新进展. 主要包括: 天气尺度(meso-scale) 和街道尺度耦合的大涡模拟, 温度稳定性层结效应, 高层建筑的影响, 在极端天气下的污染物浓度极值的预报, 化学反应和湍流的耦合计算和气溶胶动力学过程. 本文侧重于介绍英国和欧洲的数值模型研究的进展情况.      

聚碳酸酯的高应变率拉伸实验

为了解应变率对聚碳酸酯拉伸力学行为的影响,在旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸试验机和MTS809材料试验机上,对聚碳酸酯棒材进行了高应变率和准静态加载下的单向拉伸试验,应变率分别为380 s-1、800 s-1、1750 s-1和0.001 s-1、0.05 s-1,得到了聚碳酸酯的拉伸应力应变曲线.试验结果表明:聚碳酸酯的拉伸力学性能具有明显的应变率相关性,其屈服应力和失稳应变随应变率的增加而增大.依据试验结果,采用朱王唐粘弹性本构模型来描述聚碳酸酯的非线性粘弹性拉伸力学行为.模型结果显示,在本文实施的应变率范围内,朱王唐模型可以较好地表征聚碳酸酯的拉伸应力应变响应.     

油松根系的轴向疲劳性能研究

初次室内模拟自然界导致土壤侵蚀的循环荷载作用,研究油松根系的轴向疲劳性能.结果表明：油松根系100次和1 000次疲劳后的抗拉力和抗拉强度均大于疲劳前根系单调轴向抗拉力和抗拉强度;油松根系轴向循环应力-应变滞回曲线表现出明显的周期循环特征,“滞回环”最初阶段为较饱满的“梭形”,具有较好的塑形变形和耗能能力,其间距较大,表现为“稀疏型”排列;随着循环次数的增加,“滞回环”间距越来越小,表现为“密集型”排列,趋于稳定;“滞回环”的加载段和卸载段均可用二次函数拟合,拟合曲线参数A、B、C除较小直径波动较大外,其余各根径的函数参数变化平稳;根系的疲劳轴向应变包括弹性变形和塑性变形两部分,以第20次循环为界限,总应变可划分为两个阶段：应变迅速增长阶段和应变缓慢增长阶段.     

低碳钢等多晶材料试样的滑移带形式

低碳钢等多晶材料的试样在单向拉伸时,表面出现滑移带.一些参考文献中将单向拉伸的滑移带画成网格状,是不准确的.拉伸试样屈服时,不出现网格状的滑移带.建议作相应修改.     

Non-contact tensile viscoelastic characterization of microscale biological materials

Many structures and materials in nature and physiology have important “meso-scale” structures at the micron length-scale whose tensile responses have proven difficult to characterize mechanically. Although techniques such as atomic force microscopy and micro- and nano-identation are mature for compression and indentation testing at the nano-scale, and standard uniaxial and shear rheometry techniques exist for the macroscale, few techniques are applicable for tensile-testing at the micrometre-scale, leaving a gap in our understanding of hierarchical biomaterials. Here, we present a novel magnetic mechanical testing (MMT) system that enables viscoelastic tensile testing at this critical length scale. The MMT system applies non-contact loading, avoiding gripping and surface interaction effects. We demonstrate application of the MMT system to the first analyses of the pure tensile responses of several native and engineered tissue systems at the mesoscale, showing the broad potential of the system for exploring micro- and meso-scale analysis of structured and hierarchical biological systems.     

ANALYSIS OF MECHANICAL CHARACTERISTICS OF FROZEN CLAY AND MODIFIED S-M CREEP MODEL1)

为合理描述人工冻结法施工的矿井土层力学特性,对某矿井土样的重塑土进行单轴抗压强度实验和单轴压缩蠕变实验,得到重塑冻结黏土在不同温度及载荷加载等级下的应力-应变曲线和蠕变曲线。实验结果表明：冻结温度越低,土样的单轴强度越大;相同冻结温度下,土样的蠕变变形随着应力水平的升高而增大。单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线随时间发展向应变轴靠拢;土样经历初始蠕变和等速蠕变两个阶段,在较高应力水平下有进入加速蠕变的趋势;对S-M模型中各参数的意义进行修正并考虑温度的影响,得到人工冻结黏土改进S-M蠕变显式模型,然后采用粒子群算法对人工冻结黏土S-M蠕变模型参数进行优化。改进S-M蠕变显式模型理论计算值与实验值吻合良好,表明改进S-M蠕变显式模型能较好模拟人工冻结黏土的蠕变特性。改进S-M蠕变显式模型为人工冻土蠕变计算提供一种新方法。     

缝纫复合材料单向板面内力学性能的试验研究

对缝纫复合材料单向板在单向拉伸载荷作用下的面内力学性能进行试验研究,给出了缝纫密度、缝纫线直径对复合材料单向板面内拉伸强度的影响规律.研究发现复合材料的破坏模式与缝纫密度有关,对于中低密度缝纫的单向板其破坏模式为纤维断裂,而对于高密度缝纫的单向板其破坏模式为复合材料撕裂破坏.并从复合材料细观结构层次上揭示了破坏模式和拉伸强度与缝纫密度之间的内在关系.     

Evaluating Self Healing Capability of Bituminous Mastics

The self-healing capability of bituminous materials has been known for many years. Researches were mostly focused on the self healing behaviour during load repetitions. The tests are either time consuming and/or complex. In this paper, a simple self healing test procedure is presented combining the fracture-healing-re-fracture test (FHR) with morphological observations. A fast displacement speed loading was applied first to produce a flat open crack with a crack width of 100–200 μm. Then the specimen was placed in a silicone rubber mould to heal. Various healing periods, temperatures and material modifications were applied. Fluorescence microscopy was used to observe the morphological change during the healing periods. After healing, the specimen was re-fractured under the same condition as the original fracture test. The experimental results indicate that the self healing capability, which was quantified by the re-fracture strength, increases with increasing healing time and increasing healing temperature. A strength recovery master curve at any healing temperature can be obtained through a time-temperature superposition principle. When comparing the strength recovery master curve with the morphological healing observation from fluorescence microscopy, the healing process observed in this paper is believed to be a viscosity driven process, consisting of two steps namely crack closure and strength gain. A Styrene-Butadiene-Styrene polymer modified bituminous mastic shows lower healing capability than a standard 70/100 penetration grade bituminous mastic. The test procedure proposed in this paper is proven to be simple and effective for evaluating and comparing the self healing capability of bituminous materials.