一种高强度钢的动态力学本构参数识别和数值模拟

分析了N-1钢在不同应变率条件下(10-3~103s-1)的应力应变关系实验结果,得到了N-1钢的应 变率强化特性。修正了平板试件断裂面中心的真实应力,并通过对真实应变与最小截面的厚度缩减率关系的 研究,得到了断裂面中心的真实应变,从而识别出了N-1钢的修正Johnson-Cook本构模型的参数。利用所确 定的本构关系模型,对N-1钢平板试件的杆-杆型冲击拉伸过程进行了数值模拟,模拟结果与实验结果较吻 合,验证了采用的修正的Johnson-Cook本构模型参数的实验识别方法以及数值模拟方法的正确性。     

再生碎石混凝土力学性能试验研究

针对再生粗骨料为碎石的再生混凝土,设计了99个试件,分别进行立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、抗折强度、弹性模量和泊松比等力学性能的试验。本文研究了再生混凝土的强度指标、变形性能、损伤过程、能量耗散等特征,分析了骨料取代率对其各性能指标的影响;基于试验数据,得出各强度性能指标的换算关系;分别采用分段式本构关系模型和损伤本构关系模型对再生混凝土的应力-应变本构关系进行研究,并提出相应的本构方程。研究结果表明:与天然骨料混凝土相比,再生混凝土的各项强度指标均略为增大,但变形性能和耗能性能降低,应力-应变全曲线下降段更为陡峭;随着取代率的增大,弹性模量呈先减小后增大的变化趋势,泊松比无明显变化,与天然混凝土接近;其损伤发展过程加快,应变在ε=(3~5)×10-3时最为迅速。分段式本构方程和损伤本构方程的计算结果与试验值均能较好地吻合。     

冲击载荷下钢-铅层合体的弹粘塑性应力应变关系研究

本文给出了钢、铅和钢-铅层合体在高应变率下力学性能的实验结果,并提出了一种方法。根据这一方法,钢-铅层合体的本构关系可利用钢和铅的本构关系推导出,该方法的正确性已为文中给出的实验结果证实。     

基于裂纹扩展脆性岩石动力压缩力学特性研究

动态压缩荷载作用下,脆性岩石内部动态细观裂纹扩展特性,对岩石宏观动态力学特性有着重要的影响。然而,对岩石内部动态细观裂纹扩展与宏观动态力学特性的关系研究较少。基于准静态裂纹扩展作用下的应力-应变本构模型、准静态与动态裂纹扩展断裂韧度关系、裂纹速率与应变率关系模型及应变率与动态断裂韧度关系,提出了一种基于细观力学的动态应力-应变本构模型。其中裂纹速率与应变率关系,是根据裂纹长度与应变关系的时间导数推出;应变率与动态断裂韧度关系,是根据推出的裂纹速率及应变率关系,与裂纹速率及断裂韧度关系相结合而得到。研究了应变率对应力-应变本构关系及动态压缩强度影响。并通过试验结果验证了模型的合理性。讨论了岩石初始损伤、围压、模型中参数m、ε0和R对应力-应变关系、动态压缩强度和动态弹性模量的影响。研究结果可为动态压缩荷载作用下深部地下工程脆性围岩稳定性分析提供了一定的理论支持。     

不同应变率下煤岩破坏特征及其本构模型

利用直径50 mm的分离式霍普金森压杆,对煤岩展开20～100 s?1动态应变率下的单轴冲击压缩试验,结合高速摄影分析其变形破坏特征,并建立基于Weibull统计分布和Drucker-Prager破坏准则的煤岩动态强度型统计损伤本构模型。试验结果表明:（1）煤岩动态应力-应变曲线存在明显的非线性特征,随应变率升高,动态抗压强度与弹性模量均呈线性增长且增幅显著,破坏形态由低应变率下的轴向劈裂破坏向高应变率下的压碎破坏过渡;（2）在动态应变率20～100 s?1下,煤岩破坏后碎块具有明显的分形特性,破碎块度分维值为1.9～2.2,且随着应变率的升高,煤岩破碎程度增大,碎块块度减小;（3）基于Weibull分布参数F₀、m和应变率的关系,修正煤岩的本构模型,并与试验结果进行对比,验证该模型的合理性。     

海冰动力学中本构模型研究的若干进展

从20世纪70年代, 人们在不同尺度下建立了一系列的海冰动力学本构模型用于海冰数值模拟和预测. 将目前应用的海冰动力学本构模型分为弹塑性、黏塑性、各向异性和颗粒流体动力学中的黏弹塑性模型4类,并分别讨论了各类模型的特点和适用范围. 尤其对在极区及副极区大、中尺度下广泛应用的黏塑性及其改进的本构模型进行了深入地分析. 最后得出: 在大、中尺度下建立海冰动力学的黏弹塑性本构模型是提高海冰动力学计算精度的有效途径; 将小尺度下采用黏弹塑性本构模型的海冰颗粒流体动力学的计算时效进一步改进后, 可在大、中尺度下对海冰的重叠、堆积特性进行模拟; 进一步开展海冰动力学的尺度效应研究, 进行海冰本构模型的实验验证, 并建立不同尺度模型间的相互联系也应是海冰动力学本构模型研究的重要内容.      

真三轴应力状态下岩石损伤本构模型

从岩石微元破坏服从Weibull 随机分布的特点出发,建立了真三轴应力状态下岩石损伤软化统计本构关系;根据应力应变关系的几何条件,建立了本构模型参数与岩石变形过程中应力应变曲线特征参量的理论关系,从而增强了模型的适应性;最后通过试验实测数据验证了模型的合理性.     

弹塑性损伤本构关系的显式积分算法研究

首先引入弹塑性损伤本构关系,分别从材料软化与残余应变两个方面,描述伪脆性材料的非线性行为.针对结构动力分析中的强非线性问题,给出了弹塑性损伤本构关系的显式积分算法.算法中引入算子分解的思想,将弹塑性本构关系分成塑性与损伤两个模块.首先求解塑性模块,根据有效应空间塑性演化公式,采用前进欧拉算法,直接构造塑性演化的预测值,并且根据屈服函数的漂移构造了误差限公式,作为衡量显式算法精度的指标.将塑性模块求解的结果代入损伤模块,可以方便地求得损伤变量的演化,并最终得到更新后的应力.整个求解过程不需要迭代,可最大程度的算法稳定性.将论文建立的本构关系显式算法与结构分析显式算法结合,构造了结构显式分析方法,并模拟了两个经典算例,算例结果验证了论文方法的有效性.     

混凝土单轴受拉的非局部本构模型

混凝土受拉本构行为存在很强的局部软化现象,使得单轴受拉试验无法给出应力-应变关系,而只能给出应力-位移关系。本文根据内变量理论和等效应变假设建立了基于真实应变的混凝土单轴受力本构方程,并根据Weibull分布可以描述混凝土等脆性材料断裂过程的试验现象,建立了关于弹性应变的损伤演化规律。然后,通过假设平均应变与真实弹性应变的函数关系,在应力-平均应变的本构关系中采用平均弹性应变以描述其非局部行为,而在材料的损伤演化规律中采用真实弹性应变以描述其局部行为,由此建立了单轴受拉荷载条件下的非局部本构模型。最后,对一个单调受拉试验和一个反复受拉试验的仿真结果表明所提出的非局部本构模型可以准确地模拟试验结果。     

考虑应变率效应的混凝土随机损伤本构模型研究

混凝土材料组分复杂且具有随机分布的特点,其受力力学行为不可避免地存在非线性和随机性.同时,在动力荷载作用下,混凝土材料具有不可忽视的率敏感性.为了综合反映混凝土受力力学行为中的非线性、随机性与率敏感性,本文从对材料的纳-微观裂纹扩展分析入手,引入速率过程理论描述纳观裂纹的扩展速率,并研究了对应的能量耗散过程.在此基础上通过裂纹层级模型将纳观分析推演到微观尺度,建立了微观能量耗散的基本表达式.进而与微-细观随机断裂模型相结合,形成了混凝土纳-微-细观随机损伤本构模型.同时,基于速率相关势垒的分析,揭示了动力强度的提高源自加载速率和原子键断裂速率的竞争机制.据此,假定微裂纹间相互作用与应变率比值的相关关系以建立微弹簧能量耗散速率与应变率的联系,实现了从静力本构模型向动力本构模型的扩展.数值算例表明,建议模型能够同时反映混凝土材料力学行为中的非线性、随机性和率敏感性.最后通过与相关试验结果的对比,验证了建议模型的正确性.     

基于近场动力学数值方法的冰-吊舱推进器接触判断研究

吊舱推进器在极地船舶中的应用, 可避免冰区航行中转向、调头困难等操纵问题, 是极地船舶广泛采用的推进形式. 在冰-吊舱推进器切削过程中, 吊舱推进器受到了极端冰载荷的作用, 对吊舱推进器结构强度和极地船舶的安全性带来严重的危害. 为了研究不同操纵状态的吊舱推进器与冰切削时冰载荷的变化规律, 首先, 详细介绍了近场动力学方法研究物体断裂问题的理论基础, 分析该方法模拟冰材料的可行性. 基于近场动力学方法和面元法耦合推导了适用于冰破碎问题模拟的材料破坏准则和冰载荷计算方法. 其次, 提出了不同操纵状态的吊舱推进器与冰的接触判断方法, 建立了冰-吊舱推进器切削状态的数值计算模型, 实现了冰-吊舱推进器切削动态变化过程的数值仿真. 最后, 分析了吊舱推进器在直航、斜航以及操舵状态与冰切削时冰块破碎、螺旋桨和桨叶冰载荷以及吊舱单元整体扭矩的变化情况. 计算结果表明: 本文提出的不同操纵状态的吊舱推进器与冰切削时的接触判断方法能够真实地模拟冰-吊舱推进器的切削过程, 并能获得该过程中冰块的破坏现象和冰载荷变化特性, 可为冰区海洋结构冰载荷数值预报技术的发展、冰区吊舱推进器结构的优化设计和运营提供指导.      

三向受力条件下淡水冰破坏准则研究

为了更清楚地认识含冰冻结壁力学特性、解决复杂冰岩耦合问题以及给冰工程设计和数值仿真分析提供参数,有必要对冰在三向受力条件下的力学特性进行深入研究.以内蒙古自治区东胜煤田石拉乌素矿立井井筒建设为背景,参考现场水文地质资料在室内制作相似冰样,利用TDW-200低温冻土试验机,进行了4组温度和7组围压的人工淡水柱状冰三轴压缩强度试验,加载速率为0.5 mm/min,加载方向垂直于冰的晶轴方向.结果表明:在恒定温度条件下,柱状冰随围压增大塑性增强,而恒定围压条件下,柱状冰随温度降低脆性增强;在试验温度范围内,淡水柱状冰和多晶冰强度均随围压、温度升高而增大,但同条件下柱状冰强度高于多晶冰;采用D-A模型、Teardrop模型解释了高压下偏应力与围压之间的非线性关系,从不同角度对拟合得到的破坏准则综合考虑,认为D-A准则更适合用于描述淡水冰的破坏特征.研究结果可为后期同条件冰-岩耦合、数值模拟研究提供参考.     

Explanation of scaling phenomenon based on fractal fragmentation

A significant ‘size effect' is observed in tensile strength of solid particles, such as ice, rock, ceramics and concrete: the tensile strength is not independent of the fragment size, but decreases with increasing size. The Weibull statistical theory was universally used to calculate the size effect observed in solid particles. Recent developments in fractal theory suggest that fractals may provide a more realistic representation of solid particles. In this paper, the scaling phenomenon of ice mechanics is explained using the fractal model for ice particle fragmentation. The Weibull statistics is modified using the fractal crushing of ice, and is compared with the conventional one. Goodness-of-fit statistics show that the modified Weibull statistics fits the experimental data of ice much better than the conventional one. The modified Weibull statistics has only one parameter, the fractal dimension of the fragment size distribution, which has a general value of 2.50 for the ice fragmentations.     

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.      

Radiation and Diffraction of Water Waves by a Submerged Body with Ice Cover in Finite Depth

This paper presents the three-dimensional Green-function method to predict the radiation and diffraction of water waves by a submerged body in water of uniform finite depth with an ice cover. The fluid is assumed to be perfect and irrotational, the ice is modelled as an elastic plate. The zero-speed Green function of finite depth satisfying the linearized covered-surface condition is derived in three dimensions, the numerical results for the Green function and its derivatives are given. The integral equations are established by distributing the source strength on the body surface, the radiation and diffraction problems are solved. A submerged sphere is taken as an example, the effects of the water depth and the flexural rigidity of ice cover on hydrodynamics are analysed, and the good agreement with the analytical solutions reveals that the present method is correct and reliable.

     

High strain-rate behavior of ice under uniaxial compression

In the present study, a modified split Hopkinson pressure bar (SHPB) is employed to investigate the dynamic response of ice under uniaxial compression in the range of strain rates from 60 to 1400 s^?1 and at initial test temperatures of ?10 and ?30 °C. The compressive strength of ice shows positive strain-rate sensitivity over the range of strain rates employed; a slight influence of ice microstructure is observed, but it is much less than that reported previously for ice deformation under quasi-static loading conditions [Schulson, E.M., IIiescu, D., Frott, A., 2005. Characterization of ice for return-to-flight of the space shuttle. Part 1 – Hard ice. NASA CR-2005-213643-Part 1]. Specimen thickness, within the range studied, was found to have little or no effect on the peak (failure) strength of ice, while lowering the test temperature from ?10 to ?30 °C had a considerable effect, with ice behaving stronger at the lower test temperature. Moreover, unlike in the case of uniaxial quasi-static compression of ice, the effect of specimen end-constraint during the high rate compression was found to be negligible. One important result of these experiments, which may have important implications in modeling ice impacts, involves the post “peak-stress” behavior of the ice in that the ice samples do not catastrophically lose their load carrying capacity even after the attainment of peak stress during dynamic compression. This residual (tail) strength of the damaged/fragmented ice is sizable, and in some cases is larger than the quasi-static compression strength reported for ice. Moreover, this residual strength is observed to be dependent on sample thickness and the strain rate, being higher for thinner samples and at higher strain-rates during dynamic compression.     

水位变化对正倒锥体冰载荷影响的离散元分析

在海冰与锥体海洋结构的相互作用过程中,潮汐水位变化时海冰作用于锥体结构的位置改变对冰载荷具有显著影响.本文采用具有粘结破碎功能的离散元方法计算海冰与锥体作用的破坏过程.同时考虑海冰上下表面温度差异对海冰强度的影响,将离散元计算冰载荷及海冰破坏模式与渤海现场实测数据进行对比验证.离散元结果表明,海冰与正锥和倒锥碰撞时均发生弯曲破坏,且冰载荷均随水线处锥径的增大而增大.在水线处锥径相同的情况下,正锥冰载荷大于倒锥冰载荷,而正锥作用下海冰的断裂长度则较小.基于离散元计算结果和渤海现场观测资料分析了海冰与正锥、倒锥作用时冰载荷和断裂长度差异的主要原因.海冰与正倒锥交界线处作用时,一般发生弯曲破坏.当冰层中心高度与正倒锥交界线的高度相同时,海冰才会发生局部挤压破碎,但冰荷载并没有明显升高.由此可见,倒锥体结构可有效降低冰载荷从而具有较好的抗冰性能.以上研究表明离散元方法可确定海冰与锥体结构作用时的海冰破碎规律和冰载荷特性,为海洋工程结构的抗冰设计提供参考依据.      

基于S-ALE方法的圆柱体垂直出水破冰研究

以往针对结构物垂直贯穿冰层破裂的研究多不考虑水的作用, 与实际应用场景不符. 本文应用 LS-DYNA 有限元软件建立了基于结构化-任意拉格朗日欧拉(S-ALE)流固耦合方法及罚函数接触算法的冰?水?结构物耦合作用数值模拟方法. 采用欧拉算法描述空气域和水域, 采用拉格朗日算法描述圆柱体结构和冰层结构, 使用弹塑性应变率模型表征冰材料力学性质. 自主搭建了圆柱体垂直贯穿冰层试验台架, 验证了有限元方法计算结构物?冰层相互作用问题的可行性. 通过模拟圆柱体垂直出水破冰过程, 并与无水环境下圆柱体垂直贯穿冰层破裂过程进行对比. 结果表明: 有水环境下结构物?冰层间作用存在“水垫效应”; 冰层突破载荷极值大小与有、无水环境无显著变化; 有水环境下的结构物突破冰层冰载荷持续时间明显长于无水环境下持续时间; 有水环境冰层弹性变形阶段更长, 且有水环境冰层挠度变化大于无水环境下的挠度变化. 本文研究成果为极地冰区环境下结构物垂直出水破冰的结构强度计算及优化设计提供了研究基础.      

冰激振动中的锁频共振分析

冰激振动(ice-induced vibration, IIV)中的锁频共振严重威胁结构安全, 恶化人员工作环境,然而对其机理的认识仍然不清.本文基于作者和合作者以前建立的一个冰间歇破坏型IIV模型(黄国君和刘鹏飞,2009)对柔性结构的锁频共振机理进行了理论研究.应用该模型预报了发生在一个冰速区间内的锁频共振现象,并研究了结构和冰特性参数:结构阻尼和刚度以及冰的压缩刚度和冰破坏的破坏区长度、韧脆转换速度和随机性对IIV及锁频共振的影响,在此基础上探索了锁频共振机理. 研究表明: 在锁频共振冰速区间内,结构响应和冰力主频都锁定在结构固有频率,然而不同冰速下的频谱结构和振动形态各异,从常规单频共振到多频共振、从等幅振动到振幅周期性变化的拍振动,呈现出丰富的动力学特征;结构和冰特性参数可改变锁频共振冰速区间的长度和位置以及结构振幅,冰破坏的随机性和应变率效应发挥着一种竞争作用;锁频共振来源于冰破坏的应变率效应,其力学机制是频率调制和对结构-冰动能传递的非对称性正反馈效应放大的双重作用,本文分析揭示的这一新的锁频共振机理属于耦合振动,与传统的负阻尼自激振动机制有着本质区别.本文分析结果及对锁频共振机理的认识有助于相关实验研究和冰区结构设计以及IIV减振技术的研发.      

冰在低温下的单轴压缩力学行为和破坏机制

利用带有低温装置的Instron5848材料实验机和分离式Hopkinson压杆装置（SHPB）,在-10℃、-20℃和-30℃温度下,对多晶冰进行了应变率为10-4~102S-1范围内的单轴压缩力学性能实验,分析了实验结果的可靠性和有效性。研究发现：冰的压缩强度具有明显的温度和应变率敏感性,随应变率的增大、温度的降低而提高;压缩强度与应变率对数呈线性关系,应变率的升高会增强降温对压缩强度的强化效应。在研究的应变率和温度范围内,冰主要有径向膨胀、纵向劈裂和整体破碎三种破坏模式,裂尖能量得不到及时释放、冰体内氢键强度和裂纹滑移摩擦阻力增大是导致冰破坏模式不同和压缩强度增大的原因。