点蚀效应下超强钢丝疲劳损伤演化及寿命预测

主缆作为悬索桥不可更换的关键承重构件,其钢丝的疲劳寿命将直接影响桥梁的安全性和耐久性。由于主缆通常暴露于侵蚀环境中,往往会产生不同形式的腐蚀效应,其中点蚀是一种破坏力强且十分典型的腐蚀损伤,通常会成为疲劳裂纹萌生的初始点,从而显著降低构件的疲劳寿命。为研究点蚀效应对超高强钢丝疲劳性能的影响,采用能反映腐蚀电化学机理的元胞自动机模型模拟点蚀复杂形成过程,并基于盐雾试验标定演化参数,获得超高强钢丝的表面点蚀坑模型;在ABAQUS中开发基于连续损伤力学的UMAT子程序,实现腐蚀钢丝的疲劳损伤演化与寿命预测,揭示腐蚀程度、蚀坑形状参数对超高强钢丝的损伤演化规律和疲劳寿命的影响。结果表明:采用元胞自动机方法能够准确模拟钢丝点蚀过程,生成的模型可以很好地展现真实的蚀坑形态和特征;在蚀坑处最早出现损伤,前中期损伤速率较慢,后期发展迅速;随着疲劳荷载的加载,蚀坑处会发生应力重分布现象,蚀坑底部的应力逐渐降低,周边应力反而增加;在元胞自动机中以质量损失率表征钢丝腐蚀程度,当钢丝的质量损失率从0.1%增加到0.25%时,其疲劳寿命减少约36.8%;点蚀坑的深宽比越大,形状越尖锐,钢丝越容易发生疲劳破坏。研究结果可为腐蚀环境下超高强钢丝的疲劳寿命评估和提高桥梁的耐久性提供参考。

基于DIC古建筑青砖受冻融循环作用的损伤演化

以内蒙古隆盛庄古建筑青砖砌体为研究对象,通过数字图像相关(DIC)技术,研究古建筑青砖在冻融循环作用下的损伤破坏规律,采用双因子——损伤程度因子和损伤局部化因子来表征古建筑青砖的单轴压缩损伤过程,并根据双因子损伤演化曲线建立了不同冻融循环次数下的损伤演化模型.结果表明:古建筑青砖在单轴压缩下的破坏过程可分为初始损伤闭合阶段、线弹性损伤阶段、弹塑性损伤阶段和塑性损伤阶段4个阶段;随着冻融循环次数的增加,青砖表面应变集中程度增大,使其承载能力降低;冻融循环会缩短双因子曲线的线弹性阶段,同时利用双因子建立的损伤演化模型能有效反映冻融循环作用下古建筑青砖材料的损伤演化过程.

轴压下含裂隙聚丙烯纤维混凝土裂纹扩展及损伤演化研究

为研究聚丙烯纤维(PPF)掺量和预制裂隙角度对混凝土在受压作用下的裂纹扩展、破坏形式的影响,对含不同裂隙角度的素混凝土和聚丙烯纤维混凝土(PFRC)进行了单轴压缩试验,并采用声发射(AE)监测系统对其内部损伤过程进行了采集,分析了试件破坏形态和AE定位图,探究了PPF掺量、预制裂隙角度与应力-应变曲线、AE参数等指标之间的联系。研究表明,随着PPF掺量增加,试件产生裂纹的数量和扩展范围先减小后增大,峰值应力先增大后减小,其破坏形式由拉伸破坏转变为拉剪或剪切破坏,其中PPF的作用机理表现为当其掺量适宜的情况下可在基体内部起到较好的桥接作用,而当过量时则易成团出现,导致内部薄弱面增加,表明PPF对混凝土的增强效果存在正负两种影响;随着预制裂隙角度增大,峰值应力呈先下降后上升的趋势,其中倾斜非水平角度预制裂隙与高掺量PPF之间存在一定的协同效应,并发现几类对试件抗压强度和PPF掺量变化表现敏感的预制裂隙角度;最后分析AE数据发现PPF的掺入使AE定位图的定位点数量变多、分布变杂,AE信号从开始出现至到达峰值的活跃时间随PPF掺量增加而延长,表明PPF对混凝土起到了阻裂增韧的效果。

脉动疲劳加载下振动信号的建模及损伤演化

围绕脉动加载下的疲劳损伤演化,基于振动信号的测量数据,应用非线性常微分方程建立周期振动信号的参数化建模与损伤演化检测方法。采用多项式逼近非线性函数的策略,给出非线性常微分方程模型的最小二乘辨识方法;针对测量数据中的噪声导致参数估计偏差的问题,采用谱分析算法剔除数据中的噪声干扰;基于辨识得到的非线性常微分方程模型,建立疲劳损伤的非线性特征参数;通过脉动疲劳试验,验证了所提出方法的有效性。

钢结构梁柱加固节点框架损伤演化过程数值模拟分析

为研究不同因素对钢结构梁柱加固节点框架演化过程损伤的影响,选择4个钢结构梁柱加固节点框架试件作为实验对象,在其他条件不变基础上,改变试件轴压比、钢盖板厚度以及混凝土强度,用ABAQUS软件对钢结构梁柱加固节点框架进行模拟,观察损伤演化过程的应力云图情况,并对屈服位移与峰值位移进行统计。结果表明:轴压比以及钢盖板厚度对受力性能影响不大,混凝土强度对受力性能影响较大,并且随着混凝土强度的增加,钢结构梁柱加固节点框架的承载力也在增加,在节点框架设计时,应适当增加混凝土强度,提高节点框架承载力。

复合材料层压板疲劳损伤演化模型的综述与评估

疲劳损伤演化模型是材料疲劳性能退化与寿命预测的重要基础。本文对复合材料层压板的疲劳损伤演化模型进行了全面综述,针对材料损伤演化三阶段(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)特征将其磨损模型分为两类:Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ三阶段模型和Ⅰ-Ⅱ两阶段模型。提出了模型评估的五个基本标准,选取了八组不同加载条件下的疲劳损伤演化实验数据,对表征能力较强的疲劳磨损模型进行了分析评估。现有研究表明:绝大多数疲劳损伤演化模型属于宏观唯象模型,模型中引入的疲劳影响因素少,对实验的依赖程度高;对于Ⅰ-Ⅱ两阶段损伤,两阶段磨损模型具有很高的拟合精度;相比而言,Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ三阶段磨损模型可准确模拟疲劳损伤演化全过程,比Ⅰ-Ⅱ两阶段磨损模型更具普适性,其中Mao、吴富强和Shiri的模型应用较为广泛。为了克服唯象模型的不足,须考虑不同影响因素下材料的微细观损伤形式和机理,进而发展基于物理机制的疲劳损伤演化理论和模型。

G13Cr4Mo4Ni4V轴承钢重载滚动接触疲劳损伤演化及失效行为研究

G13Cr4Mo4Ni4V高温轴承钢在航发主轴轴承中广泛应用,具有优异的接触疲劳强度.采用球棒式疲劳试验机研究其在重载润滑条件下的滚动接触疲劳(RCF)损伤演化及失效行为.通过对测试棒接触轨迹三维形貌的测量,结合混合弹流润滑分析,获取了接触区润滑行为的演变规律及其对表层和近表层疲劳失效行为的影响.通过对次表层材料微观结构组分和组织形貌的分析,研究了材料组织结构的累积损伤行为,探讨了微区润滑行为与近表层夹杂和次表层材料累积损伤之间的映射关系.研究结果表明:接触轨迹表面磨损、微点蚀和塑性变形造成接触表面润滑状态变化,润滑状态变化、近表层夹杂和次表层材料组织结构累积损伤之间的竞争机制和相互作用是造成不同疲劳失效形式的主要因素.该研究中首次对G13Cr4Mo4Ni4V轴承钢疲劳损伤演化及失效行为进行了详细分析,为轴承制造筛选材料和工艺提供数据.

基于正则化全局数字体图像相关法的砂岩内部变形与损伤演化规律研究

为提高数字体图像相关法对岩石内部变形测量及损伤识别的精度,在引入节点力平衡条件的正则化全局数字体图像相关法中,融入了多重网格划分技术,实现了网格的局部细化,建立了新算法。通过不同粒径颗粒体扫描实验和数字虚拟裂隙模型评估了不同数字体图像相关法的精度;结合红砂岩单轴压缩原位CT扫描实验,量化分析了其内部变形与损伤演化规律。结果表明:力学正则化项的引入,使全局数字体图像相关法的测量不确定度降低了1~2个数量级;针对红砂岩试件,新算法能够识别内部开度为0.15体素的新生亚体素微裂隙,同时计算量减小了85.15%;试件在轴向应力达到峰值的50.58%时,已产生最大开度为0.32体素的新生裂隙,而在应力增至峰值的84.27%时,新生微裂隙发展达到体素级裂隙。研究成果在提高计算效率的同时,对亚体素级新生裂隙也表现出良好的识别能力,为岩石内部变形与损伤量化分析提供了新方法。

重载铁路隧道衬砌结构车致累积损伤演化规律

为研究重载铁路马蹄形隧道车致损伤分布特征及演化规律,结合混凝土塑性损伤本构模型和规范推荐的混凝土拉压本构关系。以改进的Miner累积损伤理论为基础,建立了重载铁路单线马蹄形隧道-围岩耦合动力模型,研究了重载列车长期作用下隧道衬砌结构的损伤分布特征、累积损伤、损伤增量演化规律。结果显示:衬砌长期车致损伤主要分布在轨下仰拱处、仰拱与边墙交接处和仰拱填充与边墙交接处;边墙部分损伤由内侧向外侧演化,仰拱部分损伤由外侧向内侧演化;满载通行相比于空载最大损伤位置损伤量增大3.41倍;累积损伤及损伤增量都随着运营次数的增加而增大,且呈现非线性变化;隧道运营期间应在损伤增量进入显著增长区时,进行隧道衬砌的检测养护工作。

循环载荷作用下简支梁的损伤演化及刚度分析

基于非线性疲劳累积损伤演化模型和连续损伤理论,考虑损伤产生的阈值应变,建立了疲劳累积损伤是由当前应变状态和加载次数共同影响的损伤模型,通过实验数据确定疲劳累积损伤演化模型参数,验证了模型的合理性。利用ABAQUS软件实现了与加载次数和变形相关的疲劳累积的损伤演化模拟,并且对简支梁进行了三点弯曲疲劳仿真计算;考虑损伤沿着损伤层厚度方向线性分布的情况下,分别对含有单边损伤和双边损伤梁的弯曲刚度进行了研究。

考虑温度与围压的HTPB固体推进剂细观结构损伤演化机制

为揭示载荷环境对固体推进剂损伤机制的影响,基于孔隙率、应变等因素,利用拉伸试验、SEM、微CT等开展细观结构研究,构建了HTPB固体推进剂细观结构损伤演化物理模型,定量分析不同围压、温度及应变率下推进剂的损伤特性。结果表明,HTPB推进剂处于高围压(10 MPa)时,其最大抗拉强度与伸长率均显著增加。低温高围压(-45℃,10 MPa)环境中,围压会抑制“脱湿”损伤的发生,使得推进剂AP颗粒和基体的界面粘接更好,微裂纹更易聚合形成孔穴,进而出现颗粒破碎损伤机制。细观变形阶段,推进剂内部微裂纹的出现点早于应力-应变曲线的抗拉强度点;宏观裂纹阶段,仅有小部分孔隙的球度较高,大部分孔隙为球度较低、不规则的损伤裂纹,比例达到75%左右,并且孔隙直径与球度之间符合幂率相关性,幂率指数为-0.246;破坏失效阶段,推进剂的损伤机制为颗粒破碎、“脱湿”损伤并伴随着基体粘连。

基于细观参数的HTPB推进剂粘接界面损伤演化数值模拟

为了研究加载角度对三组元端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂粘接界面细观失效机理的影响,使用微CT对单轴拉伸过程中的粘接界面进行原位扫描与重构,表征其损伤演化过程,然后将细观结构参数与损伤变量引入内聚力模型,得到不同加载角度下粘接界面的细观损伤演化过程。结果表明,粘接界面高氯酸铵(AP)颗粒的初始脱湿主要从靠近界面的弱界面层开始,方向沿界面的剪切分力方向。界面破坏形式与剪切角度有关,合力与界面的角度越小,裂纹越容易扩展至推进剂/衬层界面,反之裂纹扩展更容易发生在AP颗粒间。通过与CT试验结果对比,从失效模式与载荷位移关系验证了计算结果的准确性,揭示了不同加载角度下推进剂粘接界面结构的损伤演化规律。

高铁防水封闭层沥青混凝土冻融损伤演化模型

为研究高速铁路防水封闭层用沥青混凝土(简称铁路沥青混凝土)的冻融损伤演化,制备了选用不同沥青和不同目标级配的4种聚合物复合改性铁路沥青混凝土,分析重复冻融循环作用下多温域宏观力学性能的劣化规律.构建针对冻融损伤演化模型,并对反复冻融循环作用下的损伤度进行计算.研究发现:4种铁路沥青混凝土在10次冻融循环作用后,各项力学性能指标的残留率均在80%以上;低温断裂能指标对冻融循环次数的增加最为敏感,更能及时反映铁路沥青混凝土的力学性能劣化;基于统计可靠度理论构建的铁路沥青混凝土冻融损伤演化模型的拟合优度值均接近0.99.

碳化高温后再生混凝土受压声发射特性与损伤演化

为研究再生混凝土在碳化高温下的损伤演化规律,对碳化后不同温度梯度(常温20℃、中低温200℃及中高温400℃)下C30再生混凝土(质量分数取代率0%、50%、100%)进行轴心受压试验并同步采集声发射信号,在分析声发射特征参数的基础上建立再生混凝土的损伤模型。结果表明,通过对声发射损伤定位、累计撞击计数与能量计数分析,可实现再生混凝土轴心受压破坏从初始损伤到微裂缝演变,再到宏观裂缝扩展,最终到试件破坏的全过程动态监测;不同粗骨料取代率再生混凝土试件,加载过程中损伤点的密集集中位置与试件最终破坏位置相符;随着温度梯度增加,3种不同粗骨料取代率的再生混凝土均呈现初始损伤增大、声发射参数增大、应力减小的现象;基于声发射累计撞击计数建立的混凝土损伤模型可用于分析碳化高温后再生混凝土轴心受压损伤演化规律。

层状灰岩酸蚀化学-力学损伤演化机制研究

为研究酸性水对碳酸盐岩溶蚀-力学特性的影响,在固定时间、常温常压状态下,将不同倾角层理的灰岩岩样分别放在pH=3、4、5的酸液中进行固定流速溶蚀试验,并对溶蚀试验后的岩样进行单轴压缩、声发射(AE)及电镜扫描试验(SEM),获得岩样酸蚀前后质量、波速、Ca^(2+)/Mg^(2+)浓度、峰值强度、弹性模量、声发射振铃计数等指标的变化规律,分别采用溶蚀前后波速变化、声发射累积振铃计数表征岩样的化学溶蚀损伤和力学损伤,建立灰岩全变形过程的化学-力学损伤演化方程。试验结果表明,溶液酸性强度与岩样溶蚀率成正比,与宏观力学强度成反比,并且层理倾角对溶蚀的影响程度为90°>0°>45°。在酸性环境中,灰岩内部晶体被溶解,矿物联结减弱,从而引起宏观力学参数的改变,研究结果可以为废弃矿山岩体稳定评价提供参考。

多孔混凝土材料应力-应变损伤演化规律仿真

混凝土材料由于自身结构问题,导致影响混凝土材料损伤的因素较为复杂,为有效监测多孔混凝土材料损伤程度,需对路面面层用多孔混凝土材料损伤规律展开演化分析,为此提出路面面层用多孔混凝土材料损伤演化规律仿真方法。对路面面层用多孔混凝土材料应力-应变关系展开具体分析,以此建立流动准则,结合有限元软件完成多孔混凝土材料损伤演化模型的建立,通过建立的演化模型实现路面面层用多孔混凝土材料损伤规律演化分析,获取多孔混凝土材料损伤演化规律。研究结果表明,多孔混凝土材料会随着时间的延长、温度的变化、载荷值的增长损伤程度不断增加;与此同时,路面面层厚度、裂纹扩展系数的增加以及位移值的增大,同样会增加多孔混凝土材料的损伤程度。

不同碳纤维布加固方式的木构件损伤演化规律

为研究不同碳纤维布(CFRP)加固方式时木构件的损伤演化规律,有效评估构件的损伤程度,利用声发射、数字图像技术对碳纤维布加固的杉木构件在轴向压缩时的损伤过程进行实时监测。分析了不同加固方式对木构件的力学特性、声发射参数、表面应变场演化特征的影响。结果表明:碳纤维布的加固能明显改善木材的力学性能,抑制脆性破坏的发生,随着加固层数、角度的增大,木材的平均极限承载力、位移延性随之增大;声发射信号的活跃程度随着碳纤维布加固的角度、层数的增大逐渐降低,累计振铃计数、累计能量值也随之减小,利用数字图像技术可以有效观测裂纹的萌生及扩展方向,两种方式结合可以全面揭示木材的内部损伤程度以及裂纹演化规律;通过声发射法、数字图像法可以确定不同加固方式时试件的起裂荷载,随着加固角度、层数的增大,起裂荷载也逐渐增大;根据声发射累计事件数与荷载关系建立的损伤演化模型,可以较好地反映材料在轴压过程中的损伤演变规律。

高温作用下粉煤灰再生混凝土损伤演化规律与损伤特性

以粉煤灰、氢氧化钠、矿渣、硅酸钠等为原料,对高温作用下粉煤灰再生混凝土损伤演化规律与损伤特性进行了研究。结果表明:在粉煤灰掺量相同时,随着温度的升高,试件残余抗压强度比逐渐降低。在自然冷却下,经455℃、655℃高温作用后,粉煤灰掺量在25%、15%混凝土的残余抗压强度有所增加,比常温下分别提高6.73%、32.68%。掺量为35%的混凝土,255℃时抗压强度低于常温。在掺量为45%、55%时,强度比掺量为0的明显小。在自然冷却下,残余抗压强度很明显要高于喷洒冷却下的强度,通过对自然冷却和喷淋冷却两种状态下的残余抗压强度进行检测,前者是后者的1.716倍。除常温和455℃外,普通混凝土峰值应力要大于相应粉煤灰混凝土峰值应力。在同一温度下,各种粉煤灰掺量混凝土的声速值及回弹值随粉煤灰掺量的增大逐渐变小。在喷淋冷却、自然冷却下,粉煤灰混凝土声速值及回弹值所受影响较小。

基于储罐爆炸损伤演化的化工园区社会风险分布研究

基于储罐爆炸损伤演化过程提出了化工园区社会风险分布确定方法。其基础为储罐爆炸损伤概率、储罐爆炸损伤概率分布、储罐爆炸损伤演化过程和区域损伤概率分布。研究了个人风险与社会风险的关系,基于储罐爆炸损伤演化过程和当地实际储罐爆炸概率确定了个人风险分布;加之考虑化工园区人员数量分布情况得到了社会风险分布。通过实例分析了某化工园区三个人员活动区域的社会风险,这些区域的风险存在着显著差别。最后论述了个人风险和社会风险分布的研究意义和作用。

纤维缠绕复合材料损伤演化多尺度表征方法构建

针对复合材料多尺度表征中以细观到宏观力学性能预测为主的问题,发展了包含细观到宏观结构力学性能预测和宏观到细观组分损伤演化表征的纤维缠绕复合材料损伤演化多尺度表征方法。通过确定纤维缠绕复合材料组分本构及力学参数,完成基于细观RFDRVE(Random fiber distributions representative volume element)的单向复合材料力学参数预测,进而实现了纤维缠绕复合材料NOL环的宏观力学性能预测。而后,通过分析NOL环宏观破坏情况,将损伤区域应变加载至RFDRVE,得到NOL环的细观损伤演化情况,并结合扫描电镜观测了细观损伤演化形貌。结果表明,不同缠绕张力下NOL环细观到宏观预测拉伸强度与平均试验拉伸强度的最大误差仅5.08%,且宏观到细观损伤分析能够表征NOL环细观组分上出现的纤维断裂、基体断裂和纤维-基体界面破坏。纤维缠绕复合材料损伤演化多尺度表征方法能实现细观到宏观结构力学性能预测和宏观到细观组分损伤演化表征。