高应力高水压下砂岩三轴蠕变特性试验研究

对砂岩进行高围压高水压条件下的三轴压缩蠕变试验。试验表明,在整个加载过程中,孔隙水压力主要起到增强轴向变形和横向变形的作用;但在加载的初始阶段,孔隙水压力在一定程度上抑制了轴向变形。当应力水平高于屈服应力时,横向蠕变速率明显大于轴向蠕变速率,且横向蠕变率先进入加速蠕变阶段。本文提出一个新的非线性黏性元件,并引入一个能判断是否进入加速蠕变阶段的计时器元件,组建一个非线性黏塑性加速蠕变启动模型,将该黏塑性模型与Burgers模型串联,构建一个新的非线性黏弹塑性蠕变模型,推导了该模型在常规三轴应力状态下的本构方程。基于试验结果,通过对非线性优化算法(BFGS)的Matlab编程,实现对本文提出蠕变模型的参数识别,识别效果比较理想。对比试验曲线与拟合曲线,二者相当吻合,验证了新提出的非线性黏弹塑性蠕变模型的正确性。     

聚合物纳米复合材料蠕变性能研究进展

聚合物在室温甚至低温条件下的蠕变被认为是制约其更广泛应用的主要瓶颈之一.实验研究发现添加很低含量(1{\%}重量或体积含量)的纳米颗粒,在基本上不影响基体其他力学和物理性能的前提下,能够大幅度提高聚合物的耐蠕变性能; 另外和静态性能相比较,蠕变和松弛等特性对于聚合物微观结构的变化和分子链的相互作用更加敏感,能够在新型纳米复合材料(如多层级纳米复合材料)的力学设计中为我们提供更加丰富的微观结构及其相互作用的信息.本文综述了多种形貌纳米颗粒(包括金属氧化物、碳纳米管、层状纳米黏土等)对聚合物耐蠕变性能影响的研究现状和进展.讨论了纳米颗粒的种类、形貌和含量,以及外部应力水平和温度等因素对聚合物基体材料蠕变性能的影响规律;分析了目前一些常用的模拟和预测蠕变行为的模型, 并利用这些模型,结合纳米复合材料特点, 对蠕变实验结果进行了模拟和预测;结合多层级纳米复合材料的实验研究结果,阐述了蠕变条件下纳米复合材料分子链间相互作用的特点;进而探讨了纳米颗粒影响聚合物蠕变性能的机理,展望了该领域研究的发展态势.      

岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究

为了全面描述岩石蠕变的全过程,将非线性黏塑性模型与Burgers模型串联组成一个新的六元件非线性黏弹塑性蠕变模型。在黏塑性模型的蠕变量与时间呈幂函数关系的情况下,该蠕变模型可以很好地反映岩石的加速蠕变特性。利用已有文献对长山盐矿进行的单轴压缩蠕变试验结果,对所建立的非线性黏弹塑性蠕变模型的六个蠕变参数进行识别,所得结果与试验结果拟合度在0.959以上,表明了本文所建立的岩石非线性黏弹塑性蠕变模型的合理性与正确性。     

表面裂纹蠕变分析的蠕变线弹簧模型方法

鉴于用通常的数值方法分析三维蠕变裂纹问题的困难,提出了一个三维表面裂纹蠕变断裂力学参量分析的蠕变线弹簧模型方法,并在非稳态蠕变条件下的位移、裂纹尖端J积分和C积分的工程估算公式及弹塑性线弹簧模型的基础上,建立了蠕变线弹簧模型方法的有关基本方程．具体分析计算了受均匀拉伸表面裂纹平板的J积分和C积分,并与三维有限元解进行了比较,其结果吻合良好．研究结果为进一步研究三维表面裂纹的蠕变扩展及寿命预报提供了基础．     

基于西原模型的非线性黏弹塑性流变模型

在西原模型的基础上,引入能反映加速蠕变起始点的非线性黏塑性元件和瞬时塑性变形的塑性元件,建立了一个能完整反映蠕变全过程的非线性黏弹塑性流变模型. 在其一维流变模型结构的基础上建立三维的流变模型,推导三维流变方程,接着探讨了在三轴压缩试验中确定三维蠕变参数的方法,并对参数进行了敏感性分析. 用三轴压缩试验结果验证模型的有效性,结果表明模型能很好地模拟蠕变的三阶段,并且在多级偏应力水平下可以采用同一组蠕变参数.     

高密度聚乙烯的复合应力蠕变

本文通过实验方法确定多重积分型蠕变方程中的各个时间函数,并在认识材材料非线性粘弹特征的基础上作出合理修正,最后得到适用于单轴及复合应力条件下的蠕变方程。     

分级加载条件下紫色泥岩三轴蠕变特性研究

流变性质是岩石材料的重要力学特性,以紫色泥岩为例,在分级加载条件下研究了其三轴蠕变特性。采用自行研制的重力杠杆式岩石蠕变实验机,并配备三轴压力室,对紫色泥岩实施分级加载三轴蠕变实验。实验结果表明,紫色泥岩在相同轴压条件下,围压越大,瞬时弹性变形和蠕变变形越小;在相同围压条件下,轴压越大,二者变形越大。紫色泥岩的蠕变速率具有相同的变化趋势,且在相同轴压条件下,围压越大,稳定蠕变阶段的蠕变速率越不明显。另外,应力与瞬时应变线性拟合结果表明,瞬时轴向应变与轴向荷载近似成比例增长。通过分析紫色泥岩蠕变曲线变化趋势,认为采用H/M模型进行模拟较为合理。并且采用MATLAB软件非线性回归分析进行模型参数拟合,最后得到实验曲线与理论曲线的最大误差在2e-5左右。证明采用的H/M模型能较好地描述紫色泥岩的蠕变特性。     

一种新的岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究

为了克服传统元件组合模型不能描述岩石蠕变过程中非线性特征的缺陷,首先根据加速蠕变阶段的应变和应变率随蠕变时间急剧增大的特点,建立黏塑性应变与蠕变时间的指数函数关系并提出非线性黏塑性体．将该非线性黏塑性体与广义Burgers蠕变模型串联,建立可以描述岩石全蠕变过程的非线性黏弹塑性蠕变模型,根据叠加原理得到一维应力状态下的轴向蠕变方程．然后基于塑性力学理论指出岩石三维蠕变本构方程建立过程中的不足之处,并给出非线性黏弹塑性蠕变模型合理的三维蠕变方程．最后采用不同应力水平下砂岩轴向蠕变试验对模型合理性进行验证,结果表明：拟合曲线与试验曲线吻合度较高,所建蠕变模型能够很好地描述砂岩在不同应力水平下的蠕变变形规律,尤其对加速蠕变阶段的非线性特征描述效果很好,验证了模型的合理性．     

金属基复合材料的蠕变与松弛

本文利用微观力学方法研究了金属基复合材料的常温蠕变和应力松弛,连续纤维在弹性粘塑性基体内单向铺设。本文的结果与实验结果符合较好。研究表明,纤维在轴向对基体的蠕变起到明显阻止作用,而在横向和剪切变形下的作用较小。在低应力水平下,复合材料的蠕变变形很小,在高应力水平时,蠕变变形明显甚至引起蠕变破坏。     

弹性/粘塑性线性硬化模型及有限元算法

1.粘塑性力学的本构方程粘塑性力学的近日研究说明它不仅可用于解决那种对变形率敏感的材料的力学问题,例如材料在高速载荷作用下的时滞现象问题,而且还适用于解决一般塑性力学、应力松弛、蠕变等问题.按照文的定义:弹性-粘塑性,材料在其弹性及塑性阶段均出现粘滞现象;弹性/粘塑性,材料仅在其塑     

砂岩短时单轴直接拉伸蠕变特性试验研究

采用自行设计加工的挂重型岩石材料直接拉伸装置,对重庆市某地红砂岩进行了短时分级加载单轴直接拉伸蠕变试验,并对该砂岩的蠕变特性进行了分析。结果表明,砂岩在该试验条件下具有明显的蠕变特性,其蠕变表现为衰减蠕变和稳态蠕变两个阶段,砂岩蠕变量与稳态蠕变速率随着荷载的增加而增加。应用三参量广义Kelvin模型与Burgers蠕变模型描述该砂岩的蠕变规律,结果表明,两个模型均可以准确描述该砂岩的蠕变特性,其中,Burgers蠕变模型效果更佳。本文所得结论可为从事相关研究的工作人员提供一定的借鉴。     

结构面泥岩非线性蠕变特性试验研究

利用自制蠕变试验装置对含有平直闭合结构面的泥岩试样进行单轴蠕变试验研究。结果表明:轴向应力为8~12MPa时,结构面泥岩蠕应变与总应变比值呈线性增加;随着轴向应力增加,蠕应变与总应变比值突变呈上凹型增加,继而呈上凸型变化;结构面泥岩蠕变速率随轴向应力增加衰减显著,与时间为负指数关系。为描述不同轴向应力下结构面泥岩蠕变规律,提出一种非线性元件与时间呈负指数关系的非线性黏滞体,构建结构面泥岩法向非线性蠕变模型,并进行参数辨识及拟合分析。分析发现改进的Burgers模型能很好地描述结构面泥岩的法向非线性蠕变特性。     

颗粒材料剪切流动状态转变的环剪试验研究

颗粒材料的剪切流动行为广泛地存在于滑坡、泥石流等自然灾害以及矿物原料传输、泵送等工业过程中.颗粒材料在不同体积分数、剪切速率和应力约束下会表现出不同的流动状态并发生相互转化.对颗粒材料在剪切流动过程中力学特性的研究有助于加深理解其发生不同流动状态的内在机理,为解决相应的颗粒材料问题提供理论依据.为此,本文研制了颗粒材料剪切流动的中型环剪仪,并对颗粒材料在不同法向约束应力和剪切速率下的剪切应力和体积膨胀率进行了测试.结果表明,剪切应力和体积膨胀率均随剪切速率的增大而增大,但增长速率在临界剪切速率处发生转变,使其随剪切速率的平方呈分段式线性增长.通过对颗粒材料在不同剪切速率和惯性数下有效摩擦系数变化趋势的分析,讨论了颗粒材料由慢速流向快速流转化的基本规律,以及在临界剪切速率处发生流动状态转化的内在条件.此外,通过对不同法向应力下临界剪切速率以及快速流动下运动规律的测试,发现临界剪切速率随法向应力的增加而减小,即法向应力可促进颗粒材料由慢速流向快速流的转化,但在快速流动状态下的有效摩擦系数对法向应力不敏感.以上对颗粒材料在不同剪切速率、法向应力下流动状态的环剪试验研究有助于揭示其发生不同流动状态转化的内在机理.      

丁基橡胶粘弹性材料的非线性蠕变本构描述

对丁基橡胶ZN-17粘弹性材料进行了不同温度、不同应力水平下的蠕变实验,揭示了该材料的非线性蠕变特性。基于蠕变实验结果,对标准线性固体模型描述该材料蠕变行为的预言能力进行了评估,提出了新的非线性蠕变本构模型。通过与实验结果比较,表明新模型能较好地描述该材料的非线性蠕变特性。     

一种用于P92钢寿命预测的蠕变模型研究

首先分别在595℃、610℃、670℃下进行了P92钢的单轴蠕变拉伸实验。结果表明:当实验温度高于600℃时,应力和应变在双对数坐标下呈现非线性特征,蠕变过程无法通过Norton指数模型进行描述。为了进一步解决高温下蠕变寿命的计算和预测问题,本文提出了一种改进的蠕变本构模型;并在此基础上,引入损伤变量描述第三阶段蠕变。利用新的蠕变模型对P92钢在595℃、610℃温度条件下的蠕变过程进行了模拟,结果表明模型预测的蠕变寿命和实验值误差在5%之内,符合工程评估要求。     

基于扰动状态概念的软岩蠕变本构模型与试验验证

软岩材料的蠕变过程从初始加载阶段开始即容易产生塑性变形,这与硬岩存在较大差异,而传统的元件模型仅在应力超过某一阈值后才开始描述其粘塑性行为。通过分析岩石加卸载时效变形过程中弹塑性状态的演变规律,以扰动状态理论为基础,确定了以塑性变形为变量的扰动因子函数,并通过塑性变形随时间的变化特征进一步建立了以时间为自变量的蠕变扰动因子演化方程。在此基础上,针对泥质页岩的蠕变变形过程,选取Burgers和Bingham模型分别描述扰动状态理论中的相对完整状态和完全调整状态,并选取蠕变扰动因子为权重函数建立了基于扰动状态理论的蠕变本构模型。通过泥质页岩的室内蠕变特性试验对模型进行有效性检验表明,理论曲线与实测曲线的逼近程度较高,蠕变扰动函数能随时间的发展持续调整相对完整状态向完全调整状态转换的过程,较高应力状态下软岩进入完全调整状态的速率较快,相对传统模型该模型具有更好的非线性及阶段协调性,可较好地描述软岩的初始、稳定和加速蠕变阶段。     

蠕变压痕实验的计算机模拟

采用有限元的方法对双相材料的蠕变压痕实验进行了数值模拟，在有限元数值解的基础上，定义了相应于传统单轴蠕变实验的“等效应力”和“等效应变”，建立了蠕变压痕实验同传统单轴蠕变实验之间的关系，给出了确定薄膜蠕变应力指数和蠕变常数的方法；同时数值解的结果表明，实验中通过控制压痕深度不超过薄膜厚度的 ５％～１０％，忽略基体的硬化指数对确定薄膜性能的影响存在一定的误差，但基体的弹性模量对确定薄膜的蠕变性能影响不大。     

基于OTTOSEN准则的混凝土粘塑性力学模型

研究了混凝土的弹．粘塑性动态本构关系,提出一个应变率相关的非线性混凝土模型．模型改进Bicanic的混凝土塑性间断面变化规律和Ottosen的四参数屈服准则,建立冲击荷载下的混凝土本构方程,可以应用于地震和爆炸作用下混凝土材料响应的研究．根据混凝土动态实验结果对应变率和材料强度的关系提出合理假设,考虑以往被忽略的材料峰值应变和泊松比随应变率的变化．模型包含静水压力参数和动态塑性损伤因子,可以有效地反映混凝土的动态力学行为,为其动态问题的研究提供有益的思路和有效的工具．     

多壁碳纳米管-高聚物纳米复合材料的抗蠕变性能

通过双螺杆挤出机和模压成型设备制备了两种不同长径比的多壁碳纳米管(MWNT)增强的聚丙烯(PP)纳米复合材料.实验表明,通过添加1%体积含量的MWNT,聚丙烯的抗蠕变性能得到很大提高,即长时间加载后,基体的蠕变变形量和蠕变率均显著降低.同时,在特定载荷下,纳米复合材料的蠕变寿命比纯基体提高了10倍.几种载荷传递机理导致了材料抗蠕变性能的增强:(1)碳纳米管和基体之间较好的界面性能,(2)碳纳米管限制了基体内无定型分子链的活动性,以及(3)碳纳米管的较高的长径比.差分热扫描(DSC)的结果显示了材料蠕变前后结晶的变化和载荷传递机理分析是一致的.这些实验结果显示,在不增加成本的基础上可以大大提高抗蠕变的聚合物纳米复合材料的工程应用.     

应变控制的热机械疲劳行为的数值模拟

根据高温合金材料的力学性能，以弹粘塑性本构模型为基础，用数值模拟方法研究材料的热机械疲劳循环特性，模型将应变分为弹性应变、温度应变和粘塑性应变三部分，认为材料在高温循环载荷下呈现明显的弹粘塑性特征，根据虚位移原理建立轴对称体的弹粘塑性计算有限元格式，对于循环机械载荷和循环温度载荷，程序中采用了增量法迭代求解，在非线性项中不仅考虑了机械载荷增量的影响，同时也考虑了温度增量的影响，根据应变控制热机械疲劳的特点，发展了应变增量法的有限元计算方法、通过数值模拟，得到材料在各种循环载荷下的应力—应变响应，数值模拟较好地反映了粘塑性变形过程以及温度变化的效应，所描述的不可逆系统在某一时刻的状态完全由当时的状态参数、内变量、承载时间及塑性应变累积量决定，对带缺口试件的模拟结果显示了程序对复杂轴对称结构进行热机械疲劳计算的有效性。