基于二维不同尺寸旋转刚性单元的负泊松比研究

负泊松比材料(也称拉胀材料)是一种具有特殊力学性能的新型功能材料,有着良好的应用前景.对于该类材料的变形机理研究,基于旋转刚性单元模型,提出一类新型多尺寸刚性矩形单元组合模型.该模型中不同尺寸的刚性矩形单元通过旋转铰链方式连接,在材料受单向外力作用下展现出宏观的负泊松比效应.在模型中通过对周期循环胞体的分析,得到了材料的泊松比随刚体单元之间夹角θ变化的解析表达式.结果表明,该模型的泊松比在夹角θ趋近90°时取极值,通过调整刚性单元的几何尺寸可以改变模型的泊松比的大小.这些结果对二维多胞拉胀材料的微结构设计具有参考价值.     

CFRP布加固具有边缘裂纹板条的疲劳性能

将碳纤维增强复合材料(CFRP)布在板条两表面双面粘贴加固具有边缘穿透裂纹的板条,研究了加固板条在两端循环拉伸载荷作用下的断裂和疲劳性能.首先建立了CFRP布加固板条粘结层与CFRP布/板条的界面剪应力控制方程,并求得两端均布拉力作用下CFRP布加固具有边缘穿透裂纹的板条的界面剪应力解析解.其次,利用叠加原理推导了CFRP加固板条裂纹尖端的应力强度因子表达式,分别给出了其Paris和Elber模型疲劳寿命公式,通过与相关实验结果的比较,发现Elber模型的疲劳寿命公式与试验结果较吻合.最后的参数研究表明:CFRP布刚度对应力强度因子范围有显著的影响,且应力强度因子范围随CFRP布长度或粘贴层剪切模量的增加而减小,并趋于定值.同时,粘贴胶厚度对应力强度因子范围几乎没有影响.     

基于边界约束、侧向力和体力调整的藏区地应力反演研究

针对藏区某水利工程,为准确地反演其所在区域地应力,建立了拟建坝址区的三维边坡模型,较全面地提出了8种应力施加方案,对提出的各种应力施加方案一一进行验算比较,找到各种方案中可利用的价值,最终较合理地提出了中、下坝址最佳的应力施加模型;对中、下坝址的模型进行的三维地应力反演结果与实测值进行对比,吻合性较好;利用测点所在剖面模型进行了3种应力施加方案下的二维地应力反演,将二维地应力反演结果与三维地应力反演结果进行对比,总体趋势较为一致;对自重和地应力情况进行了测点、不同深度和高度观察点、等值线的横向和纵向的对比,研究结果表明在高陡边坡、高地应力地区考虑地应力在工程实践中的影响具有很大的必要性.论文提出的地应力反演方法相比传统的地应力回归计算方法而言,具有简单适用、方便快捷、可信度高等特点,可为高地应力地区的地应力反演提供一定的参考.     

花岗岩单轴压缩侧向变形及脆性破坏机制实验研究

为研究花岗岩侧向变形及脆性破坏机制,对花岗岩试件进行单轴压缩实验。利用动态应变采集系统、数字散斑相关方法(DSCM)和显微观测手段,记录并分析花岗岩试件在单轴压缩过程中的宏观侧向应变、局部侧向应变以及破裂面形貌,并与水泥砂浆试件的破坏过程对比,讨论了花岗岩脆性破坏机制。实验与分析结果表明:(1)花岗岩试件在加载初期发生侧向收缩变形,产生并发展于压密阶段,消失于线弹性阶段初期,这主要由于试件内部裂纹闭合造成的;此后,宏观侧向应变持续增长,当侧向应变与轴向应变之比接近0.5时试件破坏;(2)在峰值载荷前很长一段时间内,局部侧向应变在一定范围内波动,临近试件破坏时局部侧向应变最大值和最小值均出现较大幅度的波动,二者差值迅速增大,试件不均匀程度增大,最终导致试件破坏;(3)在峰值载荷前有无塑性屈服阶段是峰值载荷后脆性破坏程度的重要影响因素,而宏观裂纹的贯通程度是峰值载荷后应力降大小的决定因素。     

数字梯度敏感方法及其在航空透明件断裂力学中的应用

本文将数字梯度敏感方法用于航空透明件断裂力学问题研究。首先,基于透明材料的弹性-光学效应,建立了透明件应力状态与光线穿过透明件后的偏转角之间的关系。在平面应力假设下,利用最小二乘拟合建立了I型裂纹尖端应力强度因子与光学偏转角的关系。其次,通过数字梯度敏感方法搭建非接触光学测试平台,开展了带单边裂纹的航空有机玻璃试件三点弯曲实验,应用数字梯度敏感方法提取了I型裂纹尖端应力强度因子。最后,通过选择不同计算子区域和步长大小,分析了数字梯度敏感方法中的子区域和步长选择对计算结果的影响。研究结果表明,数字梯度敏感方法实验所得应力强度因子与经验公式计算所得结果偏差小于10%,通过增加最小二乘拟合项数以及合理的子区域和步长选择可以减小数字梯度敏感方法计算应力强度因子误差。     

不同倾角预制裂纹缺陷与运动裂纹的相互作用

为了研究运动裂纹与不同倾角预制裂纹缺陷之间的作用机制,采用数字激光动态焦散线方法对含不同倾角预制裂纹缺陷的三点弯曲梁进行冲击实验。研究结果表明,在冲击载荷作用下,预制裂纹缺陷尖端均产生了次生裂纹;当运动主裂纹与预制裂纹缺陷贯通时,次生裂纹不会立即起裂,而是经过0~10 μs的能量积蓄后,次生裂纹才起裂;运动主裂纹应力强度因子峰值与次裂纹起裂时的应力强度因子值均随预制裂纹倾角的增大而增大。     

水平应力对顶板跨落角的影响及应用

为得到水平应力对顶板垮落角的影响,进而确定高位抽采钻孔布孔参数,采用理论分析及相似材料模拟实验的方法进行了研究。首先依据基本顶断裂位置围岩结构力学模型,将顶板岩层假设为梁结构,得到单一岩梁在不同水平应力作用下的断裂线位置变化规律。然后将各岩梁的断裂线位置叠加组合,得到水平应力对垮落角发育的影响。为验证理论分析结果,以水平应力值为影响因素设计了三组不同水平应力值条件下的双向加载相似材料模拟实验,得到了不同水平应力值对应的垮落角。研究结果表明:顶板垮落角由各岩梁断裂线位置决定。地基系数较小时,断裂线与地基初始接触位置距离随水平应力的增加表现为先减小后增加,垮落角变化规律同样为先减小后增加,但减小不明显;当地基系数增加时,随水平应力增加,断裂线与地基初始接触位置的距离减小趋势逐渐消除,仅表现为增加趋势,垮落角变化同样表现为增加趋势。现场应用表明,采用双向加载模型得到的垮落角对钻孔布置参数进行优化,优化后钻场抽采浓度及高浓度抽采时间均得到提高。     

围压与径向荷载共同作用下巴西盘裂纹应力强度因子的解析解

利用权函数法推导了围压和径向荷载共同作用下,考虑裂纹面摩擦的预制裂纹巴西盘应力强度因子计算公式,从理论上分析了围压、径向荷载和裂纹面摩擦对巴西盘应力强度因子的影响。结果表明,围压对I型应力强度因子有很大影响,I型应力强度因子随围压的增大而减小。当裂纹面闭合后围压和摩擦系数对II型应力强度因子同样具有显著影响,考虑裂纹面有效剪应力的权函数法理论解与有限元数值解相吻合,表明理论分析的正确性。     

应力波和动光弹等差条纹的分析与判读

介绍了动光弹的基本原理，并从理论上回答了动光弹应用中的一些问题，如惯性力可否忽略等．并在总结回顾动光弹等差条纹级次判读方法的基础上，提出了把应力波理论与等差条纹分析判读相结合的方法，这样不仅使条纹判读的概念更清晰，而且可提高条纹分析和级次判读的准确性．     

中心裂纹圆盘应力强度因子的测试误差分析

本文在中心裂纹圆盘应力强度因子解析解的基础上,利用一阶微分法则,给出了与裂纹相对长度和加载角相关的应力强度因子(K 和K )的4个误差传递函数。这4个误差传递函数关于裂纹相对长度和加载角均是非线性的,它们既是误差分析的基础,又是合理确定裂纹相对长度和加载角的基础。分析结果表明,加载角的误差Δθ除了对纯 型K 的误差几乎没有影响,对纯 型K 影响较小外,对复合型K 、K 的误差均有较大影响。最后,本文建议裂纹相对长度的取值范围为0.4～0.6;还建议在复合型断裂试验时,必须依据对K 、K 的总体精度要求来严格控制加载角的精度。