局部高密度钢纤维混凝土疲劳裂纹扩展实验研究

在混凝土弯曲构件底部用高密度钢纤维局部增强称为局部高密度钢纤维混凝土（PHPFRC）,与同样纤维掺量的传统钢纤维混凝土（SFRC）比较,它可以用近似的价格获得高得多的力学性能,本文对PHPFRC缺口试件在循环载下的裂纹扩展规律进行了研究,发现裂纹并非是由一条主裂纹循序渐进地发展,而是随着循环次数的增加,呈多条短裂纹陆续出现,弥散式发展的趋势,说明在高密度纤维的增强下,混凝土的疲劳断裂由脆性向专心性转变,根据实验及分析结果得出了两种纤维掺量下PHPFRC度件的Paris参数,并且用一个分维值D的变化描述了裂纹的演经过程,发现裂纹失稳扩展前的临界分维值D随着纤维掺量的增加而增加。     

高温疲劳表面短裂纹的分形研究

对2.25Cr-1Mo合金钢进行了高温疲劳实验，采用中断试验与复膜技术相结合的方法观测了试样表面疲劳短裂纹萌生，扩展及合体的演化过程，并用数据格子方法研究了含裂纹表面的分形特征。结果表明：疲劳短裂纹的萌生扩展行为具有分形特征，可以用分形理论加以描述；分形维数随着疲劳过程的继续而稳定地成比例增加；分形维数可以作为把握材料总体损伤状态的参数，可作为寿命评价的依据。     

钢纤维混凝土力学性能优化与裂纹扩展特性试验研究

为探究复掺钢纤维下混凝土力学性能和裂纹扩展特性,利用云南会泽某深部矿山现场所取的砂、石、水泥等材料制成不同钢纤维掺量的混凝土试样,通过四点弯曲、劈裂拉伸和单轴压缩等试验获取试样抗折、抗拉和抗压强度,并借助数字图像相关技术(DIC)分析试样破坏和表面应变演化特征,优选出钢纤维混凝土配方应用于矿山竖井衬砌支护。同时对观测图像进行形态学处理,求算裂纹长度与裂纹扩展速度。试验结果表明：相较于对照组,添加钢纤维后混凝土试样的抗拉强度提升了46%～83%、抗折强度提升了24%～39%。钢纤维混凝土配方中,三掺钢纤维配方(40kg/m³长纤维,5kg/m³中长纤维,10kg/m³短纤维)对混凝土抗拉、抗折强度提升效果最佳,对残余强度和韧性指数的提升幅度最大。随着钢纤维尺寸种类的增加,试样位移-荷载峰后曲线斜率逐渐降低,同时混凝土试样内部固结后形成金属网结构的孔隙度降低,混凝土试样表面剥落量和裂纹衍生数量不断减少,到达峰值荷载时试样最大主应变降低。随着钢纤维种类增加,混凝土表面裂纹扩展平均速度减缓,相对起裂应力(起裂应力与峰值应力比值)...     

基于数字图像相关的玄武岩纤维增强混凝土抗压实验研究

制备不同玄武岩纤维(Basalt Fiber, BF)掺量的玄武岩纤维增强混凝土(Basalt fiber Reinforced Concrete, BFRC)试块,结合数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)方法研究了BF对混凝土抗压特性的影响。结果表明,混凝土中加入适量BF可以提高其抗压强度和劈裂抗拉强度,但过量的BF会产生负面效果,且BFRC的抗压强度与劈裂抗拉强度呈线性关系;当BF掺量为0.6%时,增强效果最佳,其抗压强度比素混凝土增大24.40%,劈裂抗拉强度比素混凝土增大38.84%。通过DIC方法获取试件抗压破坏的全场应变演化,并通过应变场观察到微裂纹和宏观裂纹的发展过程。素混凝土微裂纹扩展路径单一,且宏观裂纹扩展速度较快;对于BFRC试件,微裂纹出现在多个区域,各区域微裂纹独自发展,且宏观裂纹路径较为复杂。基于应变场特征将BFRC的压缩破坏过程分为微裂纹萌生、微裂纹扩展、宏观裂纹扩展3个阶段,并分别讨论了BF在每个阶段的作用效果和机理。     

光弹性贴片法研究钢纤维活性粉末混凝土断裂性能

采用预制裂缝的三点弯曲试件,应用光弹性贴片法研究了不同纤维掺量活性粉末混凝土RPC200的断裂性能.实验获取了光弹贴片所显示的裂缝扩展全过程,由光弹性条纹分析了不同纤维掺量试件的初裂荷载及临界有效裂缝长度的变化规律.实验表明,利用光弹性贴片法可以有效的获取钢纤维混凝土裂缝扩展的全过程;随着钢纤维掺量的增加,试件的初裂荷载和峰值荷载得到相应提高,且峰值荷载呈近似线性的增加;当纤维掺量为1%时,临界有效裂缝长度值最大;纤维掺量继续增加,其分布均匀性下降,试件的韧性降低,临界有效裂缝长度减少.     

脆性材料裂纹扩展的分形运动学

大量实验结果表明脆性材料裂纹扩展路径是弯弯曲曲的，不规则的，断裂表面粗糙不平，表现出分形特征。本文应用分形几何推导出脆性材料裂纹扩展的分形运动学公式，得到了动、静态断裂韧性与分形裂纹扩展速度、裂纹长度、微结构特征量δ＿ｃ以及分形维数之间的关系；推导出了裂纹扩展速度的计算公式，得出宏观量测的裂纹扩展速度Ｖ＿０应小于分形裂纹扩展速度Ｖ；并推导出直接根据材料动、静态断裂韧性和裂纹扩展速度Ｖ＿０估算材料裂纹扩展路径的分维计算公式．本文理论分析结果与实验值在定性定量上达到了较好的一致。     

钢轨表面三维疲劳裂纹扩展数值分析

在车轮循环滚动接触载荷作用下,钢轨接触表面裂纹问题频发,严重威胁高速列车运行安全,开展钢轨表面三维滚动接触疲劳裂纹扩展分析意义重大.首先,考虑不同初始裂纹角度,建立钢轨轨头含初始裂纹的三维有限元模型,对钢轨表面施加循环滚动接触载荷,进行轮轨滚动接触计算;然后,基于相互作用积分法计算裂纹前缘的应力强度因子;最后,采用最大周向应力准则和Paris公式计算当前状态下裂纹扩展方向和扩展速率,进而更新下一时刻的裂纹形状和尺寸.通过对上述过程重复实现,从而预测钢轨表面三维裂纹的扩展路径.加载过程中裂纹前缘应力强度因子计算结果表明,随着初始裂纹角度增加,K_Ⅰ的峰值逐渐减小,K_Ⅱ的峰值逐渐增大,裂纹前缘各位置的等效应力强度因子逐渐减小;裂纹前缘节点的位置越靠近钢轨表面,等效应力强度因子越大.疲劳裂纹扩展计算结果表明,随着循环次数的增加,不同初始角度下的裂纹都发生了偏折,逐渐朝着钢轨深度方向扩展,且裂纹的初始角度越大,发生扩展时需要的循环次数越多.对比三种初始裂纹角度下裂纹长度随循环次数的演化曲线可以发现,初始裂纹角度越小,裂纹扩展速率越大.所开发的方法也适用...     

基于能量耗散分析的混凝土随机疲劳损伤模型

基于微-细观随机断裂模型(MMSF)发展了一类混凝土随机疲劳损伤模型。该模型将MMSF中的微弹簧视为一能量耗散单元并考察了其跨尺度的能量耗散过程。在纳观尺度,引入速率过程理论描述裂纹的扩展速度,并基于裂纹层级模型和自相似假定完成从纳观尺度到微观尺度的过渡。由此建立了微弹簧在疲劳荷载作用下的多尺度耗能描述。此外,为了考虑疲劳加载中混凝土多条裂纹的相互影响,引入了包含损伤扩展效应和损伤愈合效应的疲劳损伤因子来修正耗能表达。通过与相关试验的对比,证明了该模型能反映疲劳荷载作用下混凝土的主要力学行为,如疲劳损伤三阶段特点、疲劳寿命的离散性和疲劳寿命随加载频率的变化趋势等。     

高温后聚丙烯纤维混凝土力学性能试验研究

采用液压伺服试验系统,对120块不同聚丙烯纤维掺量的混凝土立方体试件进行高温后力学性能试验研究.分析了不同纤维掺量,不同目标温度对混凝土峰值应变、弹性模量、抗压强度等力学性能的影响,此外还探讨了高温后聚丙烯纤维混凝土的表观形态.试验结果表明,高温作用后混凝土试件物理结构发生了很大的变化.随着温度的升高聚丙烯纤维混凝土与普通混凝土一样,弹性模量与抗压强度都呈下降趋势,并且在300oC以后显著降低,而峰值应变上升.在相同温度下,随着纤维掺量的增加混凝土试件的抗压强度与弹性模量下降,峰值应变升高.通过对试验数据的统计分析,建立了不同掺量下聚丙烯纤维混凝土的相对抗压强度随温度变化的关系式,为聚丙烯纤维混凝土在各种实际工程中的应用提供了一定的参考价值.     

循环荷载作用下聚丙烯纤维再生混凝土受压性能试验研究

为研究循环荷载作用下聚丙烯纤维再生混凝土(PFRAC)的力学性能，以粗骨料取代率、纤维掺量、加载速率为变化参数，设计了78个圆柱体试件进行单轴循环受压试验。通过试验观察PFRAC的破坏形态，获取了应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变、刚度退化等重要指标，研究了不同变化参数对其力学性能指标的影响规律，得到了循环荷载作用下聚丙烯纤维对再生混凝土的阻裂机理。结果表明：循环荷载作用下PFRAC主要发生斜向劈裂破坏；随着聚丙烯纤维掺量的增加，试件表面主裂缝宽度减小；循环荷载下PFRAC试件受压应力-应变曲线包络线与单调受压应力-应变曲线相似；聚丙烯纤维的加入可显著改善PFRAC循环荷载下的力学性能，随着纤维掺量的增加，峰值应力、弹性刚度比先增大后减小；纤维掺量为0.9%时的纤维改性效果最优，峰值应力和峰值刚度比分别提高了4.4%和7.4%。     

氧化铝纤维含量对Al2O3f＋Cf／ZL109混杂复合材料耐磨性能的影响

利用挤压铸造法制备了Al2O3f Cf/ZL09短纤维混杂金属基复合材料，并探讨了炭纤维体积分数为4％时，Al2O3纤维含量变化对该复合材料耐磨性能的影响。结果表明：随着Al2O3体积分数增加，复合材料的摩擦系数逐渐增大，复合材料从轻微磨损到急剧磨损的临界转变载荷大幅度提高，并随Al2O3含量的增加而逐渐增大；在临界载荷以下，影响复合材料磨损率的Al2O3含量临界值为12％，当Al2O3含量低于临界值时复合材料磨损表面无明显剥落，而当Al2O3含量超过临界值后，复合材料磨损表面存在大量的剥落坑，磨损率增大。     

碳纤维混凝土受弯断面的数字重构与断裂能计算

断裂能是定量表征混凝土断裂韧性的重要指标,但其实验结果显著依赖于混凝土试件断面面积评价方法的有效性和准确性。因测定困难,通常情况下只能由截面面积代替,造成断裂能计算结果存在较大误差。本文以碳纤维混凝土为研究对象,采用数字处理技术对混凝土断面形貌进行量化分析、重构,结合分形计算方法得到混凝土的真实断面面积,并将其用于碳纤维混凝土的断裂能计算,分析讨论了纤维掺量和长度对混凝土断裂能的影响规律。实验结果表明:碳纤维的引入显著提高了混凝土断面的粗糙度,表现为断裂面分形维度的明显提高,实际断面面积随之增大,以此为依据计算出的混凝土断裂能及其增益比随碳纤维掺量和长度的变化规律与韧度系数测试数据(按ASTM C1018)的一致性良好。     

短切碳纤维C/SiC陶瓷基复合材料的动态劈裂拉伸实验

为了探究C/SiC陶瓷基复合材料的动态断裂力学行为和破坏形态,利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)装置对3种不同短切碳纤维体积分数的C/SiC陶瓷基复合材料进行了动态劈裂实验,并利用扫描电子显微镜扫描了C/SiC复合材料试件的破坏界面,分析了C/SiC陶瓷基复合材料的失效特征和增韧机理。实验结果表明:C/SiC复合材料在冲击劈裂实验过程中,同一短切碳纤维体积分数下试件的动态抗拉强度随着冲击气压的增大而增大; 短切碳纤维体积分数为16.0%时, 材料的抗拉强度最低; 冲击后,试件的整体破坏情况与冲击气压、短切碳纤维体积分数有关。     

油润滑下钢严重磨损表面的分形特征

本文在ＭＨＫ－５００型环－块试验机上于２０号内燃机油润滑下对４５＾＃钢（炉冷）、４５＾＃（水淬）、ＧＣｒ１５钢和Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ钢进行了滑动磨损试验，得到了表征这４种钢试样由轻微磨损向严重磨损转变的Ｐ（临界载荷）－Ｖ（临界滑动速度）曲线。对严重磨损表面进行扫描电子显微镜观测的结果表明，在一定的标度范围内其表现裂纹具有分裂特征。在给定的试验条件下，利用Ｓａｎｄｂｏｘ法测量出上述４种钢严重磨损表面裂纹的     

Fractal geometry concerned with stable and dynamic fracture mechanics

Fractal modeling of the rugged crack geometry is considered for the stable and dynamic fracture mechanics characterizing the morphology of a fracture surface and the influence of its growth. It is shown that the fractal dimension has a strong influence on the rising of the R-curve in brittle materials. For the unstable Griffith–Mott’s approach or dynamical crack growth the fractal dimension has a strong influence on the velocity limit of the crack growth. It is also shown that the limit of crack velocity lowers with increasing surface ruggedness (higher fractal dimension D = 2 − H) explaining the intangibility of the Rayleigh wave velocity by the cracks.     

不同加载速率下砂岩弯曲破坏的细观机理

岩石细观破裂形貌是岩石破坏机制的重要反映,为研究不同加载速率对砂岩弯曲破坏的影响,通过三点弯曲实验和扫描电镜方法,对某煤矿关键层砂岩弯曲破断裂纹细观形态以及裂纹的自相似性进行了研究。选取6个不同加载速率对岩样进行三点弯曲实验,观察其宏观断裂情况,并利用扫描电镜对弯曲断裂面表面裂纹细观结构进行观察,并拍摄不同倍数下的扫描电镜图片。对图片进行图像处理后得到砂岩弯曲断裂破坏细观裂纹信息,并计算得到微裂纹的分形盒维数值。结果显示:随着加载速率的提高,砂岩穿晶断裂的比例也随之升高,裂纹分形维数亦随着加载速率的增大而增加,同时,分形维数还与弯曲断裂破坏荷载和抗弯强度成正比。可见,加载速率对断裂方式有一定的影响,且加载速率越大断裂所需的破坏能越大,裂纹分布越广,表明开采速度与岩爆等岩体动力灾变有密切关系。     

用Eshelby理论研究复合材料线粘弹性本构关系

本文用Eshelby微力学理论分析,得到短纤维增强材料(SFRC)和基体材料两者的粘弹性本构方程之间存在简单的正比关系。发现体积含量为f的短纤维无序取向SFRC一维力学行为,等效于体积含量为F的短纤维单轴取向SFRC在取向轴上的力学行为。     

Numerical simulation on the adaptation of forms in trabecular bone to mechanical disuse and basic multi-cellular unit activation threshold at menopause

The objective of this paper is to identify the effects of mechanical disuse and basic multi-cellular unit （BMU） activation threshold on the form of trabecular bone during menopause. A bone adaptation model with mechanical- biological factors at BMU level was integrated with finite element analysis to simulate the changes of trabecular bone structure during menopause. Mechanical disuse and changes in the BMU activation threshold were applied to the model for the period from 4 years before to 4 years after menopause. The changes in bone volume fraction, trabecular thickness and fractal dimension of the trabecular structures were used to quantify the changes of trabecular bone in three different cases associated with mechanical disuse and BMU activation threshold. It was found that the changes in the simulated bone volume fraction were highly correlated and consistent with clinical data, and that the trabecular thickness reduced signi-ficantly during menopause and was highly linearly correlated with the bone volume fraction, and that the change trend of fractal dimension of the simulated trabecular structure was in correspondence with clinical observations. The numerical simulation in this paper may help to better understand the relationship between the bone morphology and the mecha-nical, as well as biological environment; and can provide a quantitative computational model and methodology for the numerical simulation of the bone structural morphological changes caused by the mechanical environment, and/or the biological environment.     

基于扩展有限单元法的短纤维/橡胶复合材料裂纹扩展分析

为了研究短纤维/橡胶复合材料裂纹在拉伸载荷作用下的扩展演化规律,应用扩展有限元法对预制裂纹的短纤维/橡胶复合材料的裂纹扩展进行了数值模拟.采用随机顺序吸附算法在ABAQUS软件中生成短纤维分布模型,分析了失效准则参数(最大许用主应力和裂纹表面能)、短纤维细观参数(体积含量、长度和取向角)对裂纹扩展行为的影响规律,探究了...