循环冲击下大理岩的损伤力学行为及能量耗散特性

为了研究循环冲击荷载作用下大理岩的动态力学行为和能量耗散特性,首先采用分离式霍普金森压杆,通过试冲法确定出5种代表性的入射子弹速度,据此完成了大理岩试样的等幅循环冲击试验,并对试样的应力均匀性进行了检验。接着,从应变率时程曲线、应力-应变关系、冲击次数和能量耗散特性等方面对测试数据进行了系统分析。最后,基于能量演化定义损伤变量,探讨了能量耗散与岩样损伤发展之间的关联机制。结果表明:试样应变率时程曲线在低弹速下会出现变化率恒定的平台段,应力-应变曲线在峰后阶段均产生一定的回弹;随着循环次数的增加,试样峰值应力总体减小,而峰值应变、平均应变率和累积比能量吸收值则变化趋势相反,且在临近破坏或开裂前其变化速率呈现突增现象;峰值应力与平均应变率存在明显的线性关系,弹性模量随平均应变率的变化整体上符合指数衰减规律;试样的耗散比能与平均应变率之间呈线性正相关,基于能量耗散定义的损伤变量可以较好地表征该大理岩试样动载下的损伤破坏过程。

含孔隙混凝土的动态压缩数值模拟

为研究孔隙大小、数量及位置分布对混凝土动态压缩力学性能的影响,文章通过ANSYS参数化设计语言编程创建含随机分布球形孔隙的混凝土有限元模型,利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对孔隙混凝土的分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验进行数值模拟;提出一个预测不同孔隙率、不同孔隙数目混凝土在不同应变率下动态抗压强度的经验方程。研究结果表明:对于含单个球形孔隙的混凝土,孔隙尺寸越大,抗压强度越小,但内部孔隙位置发生变化时,抗压强度基本没有变化;相同孔隙率下,孔隙数目增加,混凝土抗压强度呈指数衰减,并最终趋于一个稳定值;孔隙率越低,混凝土抗压强度趋于稳定值时的孔隙数目越少,孔隙率为1.11%时,多孔隙混凝土的抗压强度与单个孔隙时无显著差别,可按单孔隙计算;提出的经验方程预测结果与仿真试验结果有很好的一致性。

新型节圆正弦蜂窝面内压缩力学性能研究

面内压缩载荷下,曲壁蜂窝可有效改善直壁蜂窝出现的应力集中问题.为进一步提高曲壁蜂窝的抗冲击性能,在已报道的正交正弦蜂窝(orthogonal sinusoidal honeycomb,OSH)的节点处插入薄壁圆环,得到了一种新型节圆正弦蜂窝(sinusoidal honeycomb with circular nodes,CSH).通过3D打印聚乳酸(PLA)制备了两种蜂窝试样进行准静态压缩实验,并采用LS-DYNA进行有限元数值模拟,实验结果和数值模拟结果有较好的一致性,相比OSH,CSH因节圆的增加第2平台应力大大提高.通过验证有效的数值模拟方法系统地研究了几何参数及冲击速度对CSH面内压缩力学性能的影响.结果发现:CSH应力−应变曲线具有两个平台阶段,基于蜂窝胞元不同阶段特有的变形机制,推导出双平台应力的理论解,其结果与数值模拟结果较为一致.CSH的第1平台应力几乎不受节圆半径的影响,但随着振幅的减小及壁厚的增大而增大.第2平台应力随振幅的减小、节圆半径和壁厚的增大而增大.此外,CSH在第2平台阶段与密实阶段之间还增加了一个因节圆变形导致的应力增强阶段,这极有利于提高CSH的吸能性能.最终,CSH在密实应变前的总比吸能随振幅的减小、节圆半径和壁厚的增大而增大.冲击速度从2m/s提高到100m/s.CSH的负泊松比效应逐渐减弱,但即使在100 m/s的高速冲击下,仍有轻微的负泊松比效应.所有速度下CSH的吸能性能均优于OSH,且低速和中速时优势更为明显,比吸能分别提高了1.84倍和0.75倍.

钢纤维高强混凝土冲击压缩的试验研究

介绍了利用 100mmSHPB装置获得钢纤维高强混凝土冲击压缩应力应变曲线的试验研究。同一类试样在静态和动态共4个不同应变率下的试验结果揭示混凝土是应变率敏感材料,其破坏应变、峰值应变和弹性模量表现出显著的应变率强化效应。从静态和动态压缩下混凝土损伤演化的不同形式对这种应变率强化效应进行了详细讨论。从相近应变率下不同钢纤维含量试样的试验结果中,发现冲击压缩下钢纤维对混凝土的增强效应随应变率的增大而减弱。从钢纤维对混凝土静态和动态压缩下损伤演化形式的影响,讨论了钢纤维对混凝土的这种增强效应。

SHPB技术研究混凝土动态力学性能存在的问题和改进

根据实验和理论分析,目前分离式Hopkinson压杆装置(SHPB)间接测量混凝土材料动态应力—应变关系时主要存在三方面问题,分别是应力应变不均匀的限制、大尺寸SHPB压杆产生的应力波弥散及数据处理时应力波波头选取的影响。上述问题使得用传统SHPB方法在研究混凝土材料动态力学性能时的可靠性和精确性大大降低。因此,该文对上述问题的解决和改善进行了初步探讨。

混凝土HJC本构模型参数的研究

运用非线性有限元动力分析软件LS-DYNA模拟了混凝土SHPB试验。将试验采集的入射波数据作为压杆的端面载荷,模拟条件尽量符合试验条件,确保模拟精度。将数值模拟与试验结果相结合,研究了混凝土HJC模型参数的确定方法,得到了C60混凝土的相关计算参数,模拟结果得到的应力-应变曲线与不同应变率下混凝土SHPB试验应力-应变曲线吻合较好。分析了HJC模型的本构特性,比较了与金属JC模型的差异与共性,讨论了HJC模型存在的问题。研究结果表明,未考虑混凝土弹性响应的应变率效应,横向效应的影响与采用的失效方式密切相关。

大直径SHPB装置的数值模拟及实验误差分析

介绍了用于混凝土冲击试验的Φ100SHPB装置。利用数值模拟和应变测试相结合的方法讨论了应力波在该装置中的传播特性。二维效应导致应力波在大直径SHPB装置传播过程的弥散现象。同时在实验的大部分时间内大尺寸试样的应力(应变)存在不均匀性。因此大直径SHPB装置进行混凝土冲击压缩应力-应变曲线的实验研究会产生误差。利用数值模拟分析了误差影响程度,同时验证了用混凝土试样应变和透射杆应力得到应力-应变曲线初始段的可行性。

用HJC本构模型模拟混凝土SHPB实验

运用Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型对混凝土的SHPB实验进行了数值模拟。解决了罚函数算法中罚因子合理数值的选取问题。利用模拟结果按SHPB两波法重构了试样的应力应变曲线。分析了混凝土材料的SHPB实验得到应力应变曲线的有效段范围和各段的力学规律。通过比较实际混凝土材料SHPB实验和数值模拟得到的应力应变曲线,发现两者体现的力学行为很相似,即HJC模型是描述该类材料的一种合理本构模型。模拟了试样不同平行度公差下的SHPB实验,发现在一定应变率范围内其影响程度远大于试样应力(应变)不均匀性。

钢纤维混凝土动态劈裂试验的能量耗散分析

利用分离式Hopkinson压杆(SHPB)装置进行钢纤维混凝土(SFRC)动态劈裂试验。介绍了其试验原理并阐述了利用劈裂强度和应变率指标反映混凝土抗拉性能的不足,提出了试样耗散能和入射波能量变化率指标。通过对试验中试样能量耗散的详细分析,发现试样耗散能较好地反映了混凝土冲击载荷作用下抗拉性能的变化。对于混凝土类材料,改变基本材料组分(水、水泥、砂和粗集料)配比不能有效提升其抗拉性能,钢纤维的增强效果有限。而采用硅灰代替部分水泥,则使混凝土抗拉、抗压和钢纤维增强效果三方面均得到有效提升。

EPS混凝土的动态劈裂强度和能量耗散

用分离式Hopkinson压杆对多种聚苯乙烯(expanded polystyrene,EPS)体积含量的EPS混凝土试样进行了动态劈裂实验。提出了描述EPS混凝土劈裂强度与应力率关系的经验公式,该式同时适合于静态和动态应力率,并根据实验结果拟合了系数。分析了EPS含量、粒径大小对劈裂强度和动态增强因数的影响,发现碳纤维能有效提高EPS混凝土的动态劈裂强度,尤其对于小EPS粒径混凝土。此外,还研究了试样的能量耗散随应力率的变化规律,EPS含量增加时,试样的能量耗散随应力率的增加而增加,反应出EPS颗粒具有增韧和吸能效果。

两点应变测量法在SHPB测量技术上的运用

介绍了两点应变测量法在分离式Hopkinson压杆 (SHPB)测量技术上的运用。该方法通过测量一根压杆两个不同地方的应变 ,利用一个简单的反复过程将压杆中相对传播并叠加在一起的“右行波”与“左行波”分离 ,从而利用输入杆对试件的多次加载来研究软材料的动态力学性能。利用该方法计算所得的最大应变比利用传统SHPB测量技术得到的最大应变增大了 2～ 3倍。

PVDF应力测量技术及在混凝土冲击实验中的应用

介绍了使用PVDF(polyvinylidene fluoride,聚偏二氟乙烯)应力计的应力直接测量技术。在SHPB装置上进行自制PVDF应力计动态压电系数的标定实验,分析了应力集中、横向泊松效应、摩擦效应对PVDF应力计信号及动态压电系数的影响。用PVDF应力计进行了混凝土的冲击压缩实验。利用混凝土前后端面PVDF应力计信号分析了实验过程中混凝土试样的应力均匀性。与应变计直测应变技术相结合得到了混凝土的动态应力-应变关系。

混凝土动态力学量的应变计直接测量法

本文介绍了用应变计直接测量混凝土动态应力-应变曲线的试验研究。讨论了分离式Hopkinson压杆装置间接测量混凝土材料动态应力-应变曲线存在的问题。试验分析了材料不均匀性和撞击端面接触不均匀对应变计记录信号的影响。在此基础上,用应变计直接测量应变法得到了无骨料钢纤维增强混凝土的两个应变率下的应力-应变曲线,并与传统方法的结果进行了分析比较。新方法适用于损伤演化较小的初始阶段,可以获得更可靠的加载应力-应变曲线。随着损伤的加剧,产生较大的随机应变,导致新方法的失效。

EPS混凝土的动态抗压强度和吸能特性

制备了聚苯乙烯(expanded polystyrene,EPS)体积含量0～40%的混凝土试样。利用分离式Hopkinson压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)对其进行了冲击压缩试验,得到了不同应变率下的应力–应变曲线。发现EPS混凝土具有与常规混凝土显著不同的应变率效应。研究了两种EPS粒径,四种EPS含量的EPS混凝土的抗压强度与应力率的关系,并给出了经验公式。定义了能够表征EPS混凝土吸能性能的韧度指数,并研究了上述种类EPS混凝土韧度指数与应力率的关系。随EPS体积增加,其韧度指数大大增加,尤其是对于小粒径EPS混凝土。

改性EPS混凝土的动态力学行为

分别采用粒径1、3mm的发泡聚苯乙烯（EPS）制备了体积含量30%的EPS混凝土。利用硅灰、碳纤维对其进行了改性。利用准74 mm SHPB装置对EPS混凝土进行了应变率范围30~70 s的冲击压缩试验。分析了不同应变率下EPS混凝土冲击压缩应力-应变曲线的特点及变化趋势。对主要力学参数—强度、峰值应变随应变率的变化关系进行了讨论。发现硅灰、碳纤维对EPS混凝土动态力学行为有显著影响,能有效提高其强度、韧性和可压缩性。

一种工程结构的有限元分析与应变电测分析

介绍了某发电厂烟囱电动升模装置所进行的有限元分析和应变电测分析。一方面为了获得该装置的强度、刚度评定数据,另一方面探讨了数值分析方法与实验分析方法各自的优点及如何实现优势互补。有限元分析是采用的ANSYS商业程序进行的。文章还对ANSYS商业程序的使用和优缺点进行了简单介绍,特别是在非线性计算和自适应有限元分析方面。

脆性材料中应力波衰减规律与层裂实验设计的数值模拟

对混凝土、岩石类脆性材料的层裂实验进行了有限元模拟,研究了应力波在此类材料中传播的衰减规律,包括两类机制:弹性波因大尺寸试样的几何弥散产生的小幅度线性衰减、与应变率相关的黏塑性波因本构关系导致的指数衰减。在此基础上,提出了包含常数项的指数型应力波峰值拟合公式。建议采用可以忽略应力波衰减影响的细长形试样进行层裂实验。混凝土类脆性材料层裂破坏模拟结果显示,有限元模拟得到的层裂片厚度与一维应力波理论得到的结果非常吻合,验证了按一维应力波理论确定层裂强度的实验方法的有效性。通过对比3种不同入射波形下层裂片的形状和净拉应力波形,发现不对称的入射波形状更有利于实验获得平直的层裂断面和较准确的层裂强度。

数值外插法求解空间裂纹应力强度因子的研究

文章使用蜕化２０节点等参元（Ｑ２０）求空间裂纹面上的位移，用数值外插法求沿裂纹前缘的应力强度因子。在选择典型算例和大量计算的基础上，分析了数值外插法在求解空间裂纹应力强度因子方面的优越性，以及单元尺寸对数值精度的影响，并通过特定方法确立了裂尖单元尺寸的最佳范围。

动态SCB实验技术的数值模拟研究

采用Ls-Dyna程序对基于分离式Hopkinson压杆(SHPB)装置的动态半圆弯曲(SCB)实验进行了数值模拟。模拟结果表明:最大拉应力始终产生于试样的直边中点;基于静态弹性理论得到的试样最大拉应力误差在13.7%以内;适合采用透射波计算试样最大拉应力,不宜采用三波法;试样顶端采用线加载方式会产生较高的应力集中,该处可能压溃,改用圆弧面加载方式可以确保试样拉伸失效。本文还对巴西圆盘(BD)实验进行了数值模拟,与SCB实验的对比结果表明:SCB实验中试样更容易达到动态力平衡,且加载方式对试样失效形式的影响更小。由此可见,SCB实验更适合脆性材料动态间接拉伸强度的测量。

平面小变形弹塑性有限元求解断裂问题的研究

文章介绍了传统的用裂尖塑性修正求解平面 I型裂纹等效应力强度因子的方法。在此基础上 ,提出一种计算等效应力强度因子的数值方法。对有限元数值结果与传统方法的迭代结果进行了比较 ,证实该法适合于各类平面断裂问题。同时分析裂尖小范围塑性变形对远裂尖区域的影响。研究结果表明 ,由于弹塑性断裂问题的特殊性 ,在裂尖必须采用稠密网格 。