基于巴西盘试验的海冰拉伸强度研究

海冰拉伸强度是其基本力学性能之一, 同时也是冰区船舶与海洋工程结构设计所需的重要参数. 对于脆性材料的拉伸强度测试, 巴西盘劈裂试验相比单轴拉伸试验在试样制备与加载上具有明显的优势. 为研究海冰的拉伸强度特征, 对渤海辽东湾沿岸的粒状冰开展了系统的巴西盘劈裂试验研究. 在加载过程中与试样破坏后, 分别对加载横梁的位移与加载力以及试样最终破坏模式进行了记录. 同时, 对试样的冰晶结构、盐度、温度以及密度进行了测量. 通过改变加载速率、试样厚度与试样温度以研究不同参数对试验结果的影响. 针对传统试验中试样的刚体假设, 考虑了试样变形对应力状态的影响并将其引入了理论模型. 试验过程中所有海冰试样均以劈裂模式破坏. 试验结果表明, 加载速率与试样厚度对拉伸强度的影响并不显著, 但孔隙率的影响较为明显. 当孔隙率由75‰降低至10‰时,拉伸强度由1.0 MPa升高至2.8 MPa. 与单轴拉伸试验所测得数据对比, 巴西盘劈裂试验所得到的拉伸强度随孔隙率的变化趋势相一致. 但该方法所得到的粒状冰拉伸强度要高于预期结果. 试验表明巴西盘劈裂试验中海冰试样的破坏模式与试验结果均较为合理, 可成为海冰拉伸强度的有效测试方法.      

基于平台圆环试样的无机玻璃动态拉伸性能研究

无机玻璃的拉伸强度往往远小于压缩强度,服役过程中玻璃大多会发生拉伸断裂.论文采用平台圆环(flattened circular ring, FCR)试样测试钠钙硅酸盐玻璃的拉伸性能.分别利用电子万能试验机和电磁分离式Hopkinson压杆(electromagnetic split Hopkinson pressure bar, ESHPB)开展准静态、动态单轴单向和单轴双向实验,加载过程中采用高速相机对试样的破坏过程进行观测.结果显示,该材料试样强度具有明显的正加载速率相关性.动态单轴双向加载可比单向加载更快实现应力平衡,但两种应力波加载方式下试样的动态拉伸强度大致相同.高速摄像与动态加载同步分析表明,这是因为试样的裂纹产生时刻与应力峰值时刻几乎同时产生.对三种形式的拉伸实验结果进行对比,发现拉伸强度受试样形状影响,这与试样断裂路径上的拉伸应力分布有关.     

轻质泡沫混凝土的劈裂破坏力学行为分析

利用平台巴西圆盘加载方式和钢质压条加载方式,对两种厚度为25mm和50mm、不同密度的轻质泡沫混凝土(400～1000kg/m3)进行巴西圆盘劈裂试验,研究密度和厚度对泡沫混凝土裂纹宽度、劈裂强度、断裂韧度、断裂能的影响规律。结果表明,在橡胶垫平台巴西圆盘和钢质压条加载方式下,其劈裂断裂特征大致分为四个阶段:线性弹性段、非线性弹性段、起裂阶段、失稳阶段。同样加载率下最大裂纹宽度随着泡沫混凝土密度增加逐渐减小,劈裂拉伸强度、断裂韧度、断裂能呈幂函数形式增加。借鉴Reinhardt非线性软化曲线,对不同密度泡沫混凝土的应力软化关系进行曲线拟合,建立基于拉伸强度、断裂韧度等控制参数的应力-裂纹宽度关系三段式模型。基于试验结果,对理想多孔材料细观力学预测模型进行修正,获得泡沫混凝土孔隙率与拉伸强度的半经验公式。     

大理岩的高应变率动态劈裂实验

首次把平台巴西圆盘试样引入动态劈裂试验。利用直径100mm的分离式Hopkinson杆对大理岩巴西圆盘和平台巴西圆盘试样进行了动态劈裂实验。结合有限元分析,得到了大理岩的动态劈裂破坏的拉伸强度。分析了巴西圆盘和平台巴西圆盘的典型破坏方式。结果表明,大理岩的动态拉伸强度随着应变率的提高而增加。利用圆盘中心粘贴的应变片来测大理岩等脆性材料的动态拉伸强度,是一种简便高效的试验方法。和巴西圆盘相比,平台巴西圆盘具有更大的优越性和更好的测量效果。     

船-冰作用中海冰典型破坏模式的离散元数值模拟

在破冰船破冰过程中,冰排主要表现为挤压与弯曲两种破坏模式.本文基于黏结离散单元法对船-冰作用中的这两种典型破坏模式进行数值模拟.海冰离散元数值试样采用随机排布方式生成,采用单轴压缩试验与三点弯曲试验相结合的方式标定模型中的细观参数.将船-冰碰撞中的挤压和弯曲作用方式简化为直立或倾斜 平板与海冰的作用模式,构建挤压与弯曲...     

不同加载边界下混凝土巴西劈裂过程及强度的DIC实验分析

平板、垫条、圆弧压模及平台试样等不同加载方式下,脆性材料巴西劈裂实验结果的差异一直是人们所讨论的问题.本文设计了混凝土平板直接加载与采用垫条加载实验,采用理论、高速相机与数字图像相关法(digital image correlation, DIC)相结合的方法,对试样表面应变场演化、起裂位置及裂纹扩展过程进行分析,探讨了不同的加载边界对试样应变集中演化及劈裂拉伸强度结果的影响.结果显示:(1)混凝土拉伸非线性特性导致的应变集中演化对不同加载条件非常敏感,平板加载时应变集中较早在加载端起始并向中心演化,即使满足巴西实验"中心起裂"条件,其强度仍低于垫条加载情况,两者差别达17.9%;(2)如果软垫条加载接触角合理设计,与平板直接加载相比,其应力场更稳定,有利于保证圆盘试样的应变集中及断裂均从中心起始,更好满足巴西劈裂实验条件;(3)仅校验巴西实验"中心起裂"有效性条件是不充分的,设计时必须谨慎考虑.研究结果对脆性材料巴西劈裂实验设计、测试分析具有重要参考意义.     

动静态压缩下岩石试样的长径比效应研究

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置和INSTRON1346液压伺服试验机分别对直径为50mm,长径比为0.5,0.6,0.8,1.0,1.2,1.6,2.0的花岗岩试样分别进行水平冲击试验和单轴压缩试验,研究岩石试样在动静态压缩下的长径比效应。结果表明:动态冲击试验中,长径比对试样两端的应力平衡状态有显著影响。随着试样长径比的增大(L/D1.2),应力均匀化条件难以得到满足。试样的SHPB冲击破坏模式具有显著的长径比效应,随着长径比的增大,试样破碎程度降低,破坏模式由轴向劈裂破坏向轴向劈裂和层裂拉伸复合型破坏模式转变。在同应变率水平下,岩石的动态抗压强度随试样长径比的减小而减小(当L/D1.2时),这与静载作用下岩石单轴抗压强度随长径比的减小而增大的变化规律有明显区别。对岩石类材料来说,长径比的变化对静态抗压强度的影响程度要高于对动态抗压强度的影响,主要是因为静载试验下加载板和试样之间的作用时间长,而动载作用时间很短,导致小长径比试样静载下具有明显的端部效应,从而得到相对更高的名义单轴抗压强度。     

不同加载边界下混凝土巴西劈裂过程及强度的DIC实验分析

平板、垫条、圆弧压模及平台试样等不同加载方式下, 脆性材料巴西劈裂实验结果的差异一直是人们所讨论的问题. 本文设计了混凝土平板直接加载与采用垫条加载实验, 采用理论、高速相机与数字图像相关法(digital image correlation, DIC)相结合的方法, 对试样表面应变场演化、起裂位置及裂纹扩展过程进行分析, 探讨了不同的加载边界对试样应变集中演化及劈裂拉伸强度结果的影响. 结果显示: (1)混凝土拉伸非线性特性导致的应变集中演化对不同加载条件非常敏感, 平板加载时应变集中较早在加载端起始并向中心演化, 即使满足巴西实验"中心起裂"条件, 其强度仍低于垫条加载情况, 两者差别达17.9%; (2)如果软垫条加载接触角合理设计, 与平板直接加载相比, 其应力场更稳定, 有利于保证圆盘试样的应变集中及断裂均从中心起始, 更好满足巴西劈裂实验条件; (3)仅校验巴西实验 "中心起裂"有效性条件是不充分的, 设计时必须谨慎考虑. 研究结果对脆性材料巴西劈裂实验设计、测试分析具有重要参考意义.      

大理岩动态劈裂拉伸的SHPB实验研究

利用直径100 mm的Hopkinson压杆和薄圆形铝片作为波形整形器,用不同弹速径向冲击平台巴西圆盘试样以研究大理岩的动态拉伸强度。分析了试样的应变率、破坏时间、破坏模式,以及破坏过程中的载荷-应变关系,得到了关于大理岩在高应变率下拉伸强度及弹性模量的一些结论。考虑了试样的尺寸大小及两个平台附近应力的时间不均匀性与空间不均匀性对实验结果的影响。同时,利用有限元法对平台巴西圆盘试样的动态应力分布进行了数值模拟,验证了动态劈裂拉伸实验的有效性。     

大理岩动态拉伸强度及弹性模量的SHPB实验研究

提出了获取脆性材料动态拉伸强度及弹性模量的实验步骤及相关记录数据的分析方法。利用直径为100mm的分离式Hopkinson压杆径向冲击巴西圆盘和平台巴西圆盘试样,测试了大理岩在高应变率加载下的动态力学性能。应力波加载下动态劈裂拉伸圆盘在试样中心产生了约45/s的拉伸应变率。分析了实验的有效性并考虑了试样两个端面应力波波形差异的影响以提高实验结果的精度。结果表明准静态下的公式可适用于动态劈裂拉伸实验;大理岩的动态拉伸强度及弹性模量比静态时有明显的增加。     

花岗岩的加载速率效应及能量机制研究

加载速率对岩石的力学性质以及变形破坏方式具有重要的影响。基于MTS810电液伺服材料试验系统与PCI-2声发射仪对岩样进行不同加载速率作用下的单轴压缩和声发射试验。研究结果表明：（1）在各级加载速率作用下,岩样单轴压缩应力-应变曲线大致经历了压密、弹性、屈服、破坏四个阶段。岩样峰后曲线在加载速率为0.001~0.01 mm/s时出现台阶型分段跌落状,在加载速率为0.01~0.1 mm/s时呈现光滑、陡峭的连续曲线。（2）岩样峰值强度、弹性模量随加载速率的增加而增大,与加载速率对数均呈现三次多项式拟合关系。峰值应变随加载速率的增加而减小,与加载速率对数呈现线性拟合关系。（3）随着加载速率由0.001mm/s增加至0.1mm/s,岩样吸收的总应变能 具有波动性,可释放的弹性应变能 增幅60.42%,耗散应变能 降幅 66.38%, 增幅43.33%, 降幅66.67%,岩样破裂模式由拉剪破坏逐渐向张拉劈裂破坏过渡,岩样破裂块数增多。（4）加载速率为0.001~0.1 mm/s时,岩样破坏方式有所不同,但破坏为同一类损伤过程。单轴压缩状态下,能量耗散使得岩样损伤致使强度丧失,而能量释放使得岩样宏观破裂面贯通,并向着能量释放的方向张裂或弹射破坏。     

不同应变率下冰破坏特性的试验研究

为研究寒区流冰对水工/船舶结构的影响,需要获得不同流速冰载荷的特征,准静态下不同应变率条件下冰材料变形至破坏的特征就成为一项重要的基础性问题。为此,开展了低温环境应变率10-2s-1至10-4s-1下淡水冰的单轴压缩试验。试验发现:随着应变率减小,极限应力由18.51MPa降低至8.44MPa,达到极限应力后,试件承载能力由瞬间消失变为逐渐降低至稳态,试件破坏形貌由劈裂转变为周向膨胀,即由脆性转变为韧性破坏,转变应变率约为10-3s-1;在双对数坐标系中,单轴压缩强度随应变率的增加近似呈线性增大。通过对应力-应变曲线进行积分,给出了不同破坏形式下冰变形至破坏的临界应变能密度,发现脆/韧转变状态下加载至破坏所需能量最大,该能量特征主要由冰中微裂纹的萌生、断面摩擦、再结晶引起。     

岩石动态巴西圆盘实验中的过载现象

巴西圆盘实验是国际岩石力学与工程学会（ISRM）推荐的测量岩石静态拉伸强度的方法之一,也是该学会推荐的唯一测量岩石动态拉伸强度的方法。但是巴西圆盘实验得到的静态或者动态拉伸强度往往较真实值偏大,其中一个原因是所谓的过载现象,而且其相应的过载效应在动态巴西圆盘测试中尤为明显。为探究岩石材料动态劈裂拉伸强度的过载效应机理及其率相关性,利用SHPB实验装置开展了不同加载率条件下的动态巴西圆盘实验,对岩石材料劈裂拉伸强度的过载特性进行了定量分析;结合颗粒流程序进行了相关实验的数值模拟,得到了圆盘破裂的微观过程。结果表明:（1）动态巴西圆盘实验得到的岩石拉伸强度存在明显的过载现象,圆盘试样拉伸强度的过载比随加载率增加呈对数形式增加;（2）依据动态拉伸强度实验结果对模型参数引入率相关性后,模拟观察到的过载效应更加贴近实验观测。这些结果表明巴西圆盘实验中拉伸强度的过载现象是客观存在的,其机理与试样的圆盘构型以及测试方法有关。结合实验和数值结果,解释了巴西圆盘实验的过载机理,证明了动态巴西圆盘实验修正的必要性并给出了相应的方案,以获取岩石材料的真实动态拉伸强度。     

加载速率影响的单裂隙类岩石试样能量演化规律

为了研究加载速率对单裂隙类岩石试样破坏过程中能量演化进程的影响规律,分析裂隙类岩石试样在不同加载速率下的能量响应特征,以预埋金属薄片方法制作的裂隙类岩石试件为研究对象,基于RMT-150B对单裂隙类岩石试样进行四级加载速率下的单轴压缩试验,获得四级加载速率下裂隙类岩石试样力学性能。试验结果表明:单裂隙类岩石试样峰值强度与加载速率呈正相关性,但增长速率随加载速率的增加而减小;当加载速度不断增大时,峰值处试样弹性应变能积聚能力增强,但是耗散应变能随加载速率的增大而逐渐减小;裂隙试样在峰值后会累积弹性应变能,但其积聚能力随加载速率的增大而有所削弱;裂隙试样耗散应变能转化速率在峰值前处于较低水平,在峰值后伴随宏观破裂面的贯通而骤增,表明单裂隙类岩石试样内部能量演化进程与其破坏规律之间具有内在联系。     

加载速率与环境温度对黏土岩力学性质的影响

利用SHT4305伺服压力机系统,对黏土岩试样分别在0.1MPa/s、0.3MPa/s、0.5MPa/s、0.7MPa/s、0.9MPa/s的加载速率和25℃、55℃、85℃、115℃、145℃的环境温度下实施单轴压缩试验,分析了不同加载速率和不同环境温度对黏土岩的峰值强度、弹性模量、应变状态、破裂形式、反应过程以及变化机制的影响。研究发现,黏土岩试样在不同加载速率和环境温度作用下,破坏过程经历压密、弹性、塑性、破坏四个阶段,其中塑性阶段差异化明显。黏土岩峰值强度与加载速率近似线性相关;在环境温度的作用下,黏土岩峰值强度与弹性模量随温度的增加呈现出先增大后减小的趋势。上述研究结果对高放核废物处置库选址等领域备选具有重要的理论意义和参考价值。     

聚氨酯(PU)在力学性能测试中的摩擦效应与变形均匀性研究

作为防弹玻璃夹层材料,PU的动态力学性能一直受到学者们的关注。为准确表征其动态力学性能,本文采用ABAQUS有限元软件对不同摩擦系数下的单轴压缩试验进行数值仿真,分析试样加载端面的摩擦效应和几何尺寸对单轴压缩试验结果的影响;结合高速摄影技术(HSP)与数字图像相关技术(DIC)观测到试样在拉伸试验中的动态变形场和应变场,探讨标距段的应力均衡性;同时对PU材料在不同应变率下的单轴压缩、拉伸力学性能进行测试。结果表明:压缩试样的端面摩擦效应限制横向变形,影响了试样内部的受力分布,使得测量得到的应力值偏大;试样长径比越小,端面摩擦效应的影响越大;在单轴动态拉伸试验中,板状拉伸试样的标距段选取应当考虑两端倒角尺寸。通过测试PU的拉、压力学性能,发现材料具有显著的应变率敏感性。     

基于循环神经网络的海冰弯曲强度预测分析

海冰弯曲强度是确定锥体海洋平台、船舶和港口码头等斜面工程结构冰载荷的重要参数，是海冰力学性质的主要研究内容。本文首先对2009—2010年的渤海海冰三点弯曲试验数据进行总结，分析了温度、盐度、密度及孔隙率对海冰弯曲强度的影响。基于现场试验数据建立了海冰弯曲强度的循环神经网络（recurrent neural network,RNN）预测模型，并采用随机梯度下降法和Adam优化算法对RNN预测模型进行了优化。本预测模型将海冰温度、盐度、加载速率和密度等参数作为输入，将海冰弯曲强度作为输出。在建模过程中，数据被随机排序和归一化处理，并采用评价指标评估其模型的准确性，对RNN预测模型进行优化。将RNN模型对海冰弯曲强度的预测结果与试验经验公式结果进行了对比。预测结果表明，RNN模型对海冰弯曲强度的预测精度显著优于试验经验公式分析结果。该预测模型能有效解决海冰弯曲强度与其影响因素间的复杂的非线性关系，可为海洋工程结构的抗冰设计提供参考依据。     

大理岩动态劈裂拉伸断裂的实验研究

利用直径为100mm的Hopkinson压杆和薄圆形铝片作为波形整形器,用不同弹速径向冲击大理岩平台巴西圆盘来研究其动态拉伸强度.考虑了试样的尺寸大小及两个平台附近应力的时间不均匀性与空间不均匀性对实验结果的影响.分析了试样的最大应变率、破坏时间、破坏模式以及破坏过程中的载荷应变关系,得到了关于大理岩在高应变率下拉伸强度及弹性模量的一些结论.进一步又利用该装置径向冲击人字形切槽巴西圆盘试样,对试样的起裂时间进行了初步的研究,以便今后测试动态断裂韧度.     

压缩与劈裂条件下矿岩声发射信号的频率特性

为研究岩石在单轴压缩与巴西劈裂加载条件下声发射信号的频率特性,在RMT-150C岩石力学试验系统上对流纹斑岩开展了单轴压缩和巴西劈裂条件下的声发射实验。实验结果表明:在单轴压缩实验中,声发射信号的峰值频率分布在550kHz以下,550kHz以上的信号极少,并且100kHz以下的信号占大多数;而巴西劈裂实验中,声发射信号的峰值频率也分布在550kHz以下,以100~200kHz的信号为主。此外,岩样在单轴压缩破坏过程中声发射信号的峰值频率在达到峰值应力前明显降低,而巴西劈裂破坏过程中声发射信号的峰值频率主要集中在100~200kHz之间,在达到峰值应力前50kHz左右的低频信号开始增多,但变化不明显。     

混凝土类材料动态拉伸强度的微观力学模型

基于水泥砂浆试样动态劈裂拉伸实验,研究了不同加载速率下水泥砂浆材料动态劈裂时的裂纹发 生和扩展规律,提出一个微观力学模型。结果表明,微裂纹惯性是混凝土类材料动态拉伸实验中测量到的动 态拉伸强度随应变率的增加而提高的一种微观机制。