干湿循环作用下堆石料宏细观力学特性的离散元模拟研究

堆石料的物理力学特性在干湿循环作用下会发生明显劣化。基于堆石料颗粒三维扫描结果,建立了宽粒径范围的堆石料颗粒模板库。考虑干湿循环对颗粒强度、颗粒间接触模量和摩擦系数的影响,提出了一种考虑堆石颗粒干湿循环劣化的颗粒破碎模拟方案。在此基础上,采用FDM-DEM耦合方法对不同干湿循环作用下的堆石料试样进行一系列三轴压缩试验,讨论了在三轴压缩条件下干湿循环对堆石料宏细观力学特性的影响规律。结果表明:堆石料的初始模量和峰值强度随着干湿循环次数N的增加而呈非线性降低,干湿循环对体变曲线在初始阶段的剪缩和加载后期的剪胀有抑制作用,当N增大至某一值时,干湿循环对堆石料的宏观变形和强度的影响逐渐不明显。干湿循环次数越大,试样内部平均配位数越大,接触滑移比越大,试样内部的偏组构呈非线性减小,即各向异性程度在逐渐减小,这说明干湿循环对试样内部的各向异性发展有抑制作用。

纤维增强树脂矿物复合材料的细观力学特性及损伤机理

纤维增强树脂矿物复合材料因优异的力学性能得到广泛应用,但有关材料损伤机理的研究仅停留在宏观层面,较少关注损伤过程中材料的细观力学特性和微裂纹演化规律。针对这一问题,基于颗粒流离散元技术建立了纤维树脂矿物复合材料的细观模型,分析了材料应力-应变曲线的变化规律,揭示了材料的微裂纹萌生扩展机制和其破坏失效形式。结果表明,相比于树脂矿物复合材料,纤维增强树脂矿物复合材料的抗压强度更高,起裂应力和损伤应力更大;骨料颗粒形状对纤维的增强增韧作用影响较小;纤维对树脂矿物复合材料具有增韧阻裂的作用。研究从细观角度揭示了纤维增强树脂矿物复合材料的损伤性能,能够为该材料的推广应用提供指导。

单轴压缩荷载作用下混凝土损伤破坏的细观力学分析

基于伸缩因子函数的变形方法和蒙特卡罗方法,建立了由骨料、砂浆和二者之间的界面过渡区构成的混凝土随机骨料模型。采用有限单元法对混凝土随机骨料模型的抗压强度、应力峰值、应力分布、损伤状态等力学性能进行了数值计算,从细观尺度上分析了混凝土的损伤破坏过程及裂缝形貌特征。结果表明:在单轴压缩荷载作用下,混凝土首先在薄弱区域的界面过渡区处发生拉应力和剪应力集中,产生初始损伤;然后损伤扩展至水泥砂浆,形成贯穿裂缝;最终,导致混凝土承载力失效。

混凝土早龄期收缩开裂细观力学机理研究

缓减混凝土早龄期收缩开裂是提升混凝土结构耐久性和防水性能的关键环节,对此研究了基于细观力学的混凝土早龄期收缩开裂机理。采用随机骨料模型对混凝土内粗骨料、砂浆和界面过渡区(ITZ)进行参数化建模生成混凝土细观结构,建立混凝土细观数值模型,针对现行试验规范,确定模拟所需力学参数并验证计算方法。结果表明,混凝土早龄期的收缩应变随时间的变化趋势受粗骨料随机分布的影响不大,不同分布形式下的混凝土24 h收缩应变值最大相对误差为7%;平板混凝土试件早龄期的收缩裂缝沿着裂缝诱导器尖端区域的ITZ单元发展,不同粗骨料分布形式下的裂缝面积最大相对误差为9.5%。

煤矸石混凝土三相细观力学性能及细观破坏机理

为探究煤矸石混凝土力学特性,开展了煤矸石混凝土的多相细观力学特性试验研究,并基于细观尺度建立了煤矸石混凝土非均质数值模型,研究了煤矸石混凝土内部各种介质对煤矸石混凝土力学性能的影响。结果表明:细观模型能较好地描述煤矸石混凝土的力学特性、破坏模式和内部损伤演化过程;煤矸石混凝土的力学特性与三相力学性能有关,随着ITZ强度的增加,煤矸石混凝土的峰值应力先增大后减小,但残余强度趋于一致。改善ITZ力学特性对煤矸石混凝土的破坏模式及宏观裂缝的分布和扩展影响不大;提高水泥砂浆强度可以提高煤矸石混凝土的峰值应力和脆性;粗骨料强度提高了混凝土的峰值应力。当σ_(cp-Agg)<σ_(cp-M)时,可有效提高混凝土的峰值应力;当σ_(cp-M)<σ_(cp-Agg)时,峰值应力增长率迅速下降。增加骨料的强度可以改善混凝土的脆性。

基于Voronoi建模和Cohesive单元的PBX细观力学模型

针对PBX的细观力学模型存在模型结构与真实PBX细观形貌不符、破坏行为描述不全面(仅考虑界面脱粘)、研究对象单一(大多针对PBX-9501)等问题,建立了基于Voronoi建模和Cohesive单元的PBX细观力学模型。首先,基于光学显微镜下的细观结构图,采用Voronoi方法构建了更贴近实际形貌的PBX炸药细观模型;然后,采用内聚力有限元方法在炸药晶体内部、黏结剂内部及炸药颗粒/黏结剂界面处都引入了Cohesive单元,以在二维尺度上实现任意路径破坏行为的模拟;最后,针对某HMX基-F2311黏结剂炸药和某HMX基-F2313黏结剂炸药标定了模型参数,模拟了这两种炸药的准静态拉伸行为。结果表明,两种炸药数值模拟的拉伸变形曲线、破坏应力、破坏应变都与试验数据吻合良好,表明该模型不仅适用于不同PBX炸药材料(线弹性PBX、非线性PBX)的变形行为描述,还可以分析PBX炸药在拉伸破坏过程中的细观机理,刻画不同PBX炸药的裂纹萌生、扩展和贯穿的过程。

基于细观力学的石墨烯复合材料导热性能分析

基于细观力学理论,运用代表性体积元方法研究石墨烯填充聚乳酸复合材料导热性能。根据显微照片分析复合材料细观结构特征并构建细观结构模型,利用有限元方法求解复合材料等效导热系数,并通过与实验结果对比验证模型正确性和有效性。通过参数化分析研究各细观结构参数对复合材料导热性能的影响规律,所建模型及相应参数化分析结果,对石墨烯填充复合材料的导热性能预测及改进优化具有较强的指导意义。

复合固体推进剂细观力学性能模拟研究进展

阐述了近年来国内外复合固体推进剂细观力学性能模拟的研究进展,分别从复合固体推进剂细观模型建立和数值模拟分析2个角度分别研究复合固体推进剂的宏观力学性能。介绍了复合固体推进剂细观模型建立的几种方法以及先进的数值模拟技术,综述了机器学习在复合推进剂细观力学性能研究中的应用,并结合当前研究动态和相关技术的进展,对该领域的未来进行展望。分析认为,在细观模型建立方面,分子动力学实现三维RVE计算模型是难点,重点关注含内部损伤的细观本构模型,克服推进剂小变形的不足;在细观尺度数值模拟计算方面,建议在充分包含的细观组成和计算资源成本之间取得平衡,进一步发展能够兼顾计算效率和准确度的复合固体推进剂细观尺度的模拟计算方法。

红页岩纳米压痕细观力学特性研究

【目的】通过纳米压痕试验研究矿物细观力学特性,对于揭示矿物细观尺度破坏机制具有重要意义。【方法】以磷矿红页岩围岩主要矿物为对象,采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)试验对红页岩主要矿物进行定性、半定量和空间分布特征分析,开展靶向纳米压痕试验,获取矿物细观力学性质。基于Voronoi多边形法构建细观矿物纳米压痕离散数值计算模型,并将模拟结果与试验结果进行对比分析。【结论和结果】结果表明:(1)红页岩中含石英、钠长石、绿泥石和伊利石4种矿物,弹性模量依次为95.62、78.13、53.50、48.91 GPa,石英、钠长石矿物力学性质最好,绿泥石和伊利石最差,表明红页岩非均质性、多相性的材料属性。(2)室内试验表明矿物内部缺陷、微孔隙的存在导致荷载-位移曲线台阶拐点等异常情况,而模拟结果表明矿物颗粒簇尺寸、含量和空间分布特征均会使荷载-位移曲线出现拐点突增等情况,解释了纳米压痕荷载-位移曲线出现异常点的原因。(3)矿物压入后在微裂纹类别、数量、占比及倾向分布的差异较大,表征受载过程矿物劣化程度及微裂纹扩展方向。研究成果有助于预测矿物受荷载作用时的开裂方向,为细观矿物劣化分析提供理论支持,对相似工况下围岩灾害预防提供借鉴。

湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料梁阻尼特性的细观力学分析

基于复合材料细观力学,利用能量耗散原理及宏观应变能法建立了湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料层合梁的阻尼预测模型。利用MATLAB软件编写了湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料损耗因子的计算程序,研究了纤维铺设角度、体积分数、铺层顺序以及湿热效应对玻/碳纤维混杂复合材料层合梁阻尼性能的影响规律。结果表明:湿热环境导致材料产生湿热应变是影响阻尼特性的主要机理;玻/碳纤维混杂复合材料层合梁的损耗因子均随温度及吸水浓度的增大而增大,且温度的影响远大于吸水浓度的影响;纤维体积分数越高,受湿热影响程度越大;铺层角度对损耗因子影响远高于湿热、混杂方式、纤维体积分数的影响。

高速公路胶粉沥青混合料疲劳损伤细观力学分析及试验研究

为探究重载车辆作用下高速公路胶粉沥青混合料(ARHM-20)面层的疲劳损伤机理及细观力学行为,该文基于离散元方法,构建混合料的三维细观结构模型,研究从集料运动到形成宏观永久变形的损伤机理。采用Burger’s本构模型表征沥青砂浆的黏弹属性,通过沥青蠕变试验获取不同温度下Burger’s模型的宏观力学参数,基于宏观与细观的转换公式得到细观建模参数;利用Solidworks软件制作不规则粗集料,使得模型更接近实际工况。该文采用分布加载方式,先让轮胎在地面滚动并提取与地面的接触力,随后将接触力施加在模型上。依据实际公路工程级配,制备车辙试验试件并进行室内车辙试验,验证三维细观结构模型的有效性和正确性。研究结果表明:离散元方法可用于研究沥青混合料的细观运动力学行为,车辙演化宏观行为主要是由沥青混合料内部粗集料的细观受力分布及运动演化产生,与未添加胶粉的沥青混合料相比,ARHM-20沥青混合料具有更好的高温抗疲劳能力。

干湿循环脆性岩石直接拉伸断裂的宏细观力学模型

针对三峡库区消落带等长期处于干湿循环条件下导致岩石损伤破坏的工程问题,探究在干湿循环和直接拉伸荷载共同作用下,脆性岩石的宏细观断裂力学特性这个难点问题。由于干湿循环条件下的直接拉伸试验较难实现,考虑干湿循环与直接拉伸荷载作用的宏细观力学关系模型非常欠缺。基于断裂力学理论方法,结合干湿循环试验研究方法,提出了一种干湿循环条件下脆性岩石直接拉伸断裂的宏细观力学模型。该模型是在考虑了干湿循环次数n与含水率ω对断裂韧度K_(IC)和初始损伤因子D_(0)综合影响的基础上,结合岩石初始细观裂纹损伤与裂纹断裂韧度的直接拉伸细观裂纹扩展力学模型建立的。对比分析抗拉强度、裂纹扩展极限长度l_(lim)、弹性模量、岩石劣化损伤的理论与试验结果,验证了模型的合理性。讨论了初始裂纹倾角φ、材料常数β等参数影响下,裂纹启裂应力及峰值应力随干湿循环次数n的变化规律。对比分析了干湿循环和单独含水条件对岩石劣化度力学特性的影响。

基于平行黏结模型的含瓦斯水合物煤体宏细观力学性质研究

为了研究围压和饱和度对含瓦斯水合物煤体宏细观力学特性的影响规律,对它进行三轴压缩试验离散元模拟。首先,利用颗粒流程序PFC3D构建3种不同饱和度的含瓦斯水合物煤试样数值模型,其中水合物的胶结作用通过平行黏结模型进行模拟。其次,通过与室内三轴试验结果进行比较,标定能够反映其力学特性的细观参数。试验结果和模拟结果的应力-应变曲线趋势基本吻合,破坏强度、强度参数误差率均在10%以内,从而验证所建模型的可靠性。进而,对不同围压下含瓦斯水合物煤体三轴试验进行离散元模拟,从应力-应变曲线以及速度场、接触力链、配位数及孔隙率角度分别分析其宏细观力学特征。结果表明:离散元模拟结果与室内试验结果吻合较好,整体上能够较好模拟试样的应变硬化特征。从速度场变化规律可以发现,低饱和度下试样剪胀程度较高,高围压下试样剪缩程度较高。不同饱和度、围压条件下,破坏强度处的主力链传递方向没有明显区别。随着围压和饱和度的增大,接触力增大,接触力链个数增加;配位数整体呈增大趋势,孔隙率整体呈减小趋势,使得试样强度增强;摩擦是维持试样细观力学体系稳定的重要因素。研究结果从细观尺度上揭示饱和度和围压对含瓦斯水合物煤体强度变形破坏等宏观力学特性的影响机制,为含瓦斯水合物煤体三轴试验离散元模拟建模提供理论参考以及为利用水合物技术预防煤与瓦斯突出提供依据。

岩石破裂与渗流耦合过程细观力学模型

从岩石细观非均匀性的特点出发,应用弹性损伤力学、B iot渗流力学理论,对岩石破裂过程渗流-应力-损伤耦合模型进行了描述.算例表明,该模型能较好的模拟出岩石材料在水压和载荷作用下裂纹扩展路径不规则发展及稳态、瞬态渗流过程,裂纹扩展对渗流路径和流动过程起到明显的控制作用.

混凝土力学性能及其细观力学机理研究综述

介绍了混凝土宏细观力学性能及细观力学机理研究现状,总结了混凝土细观力学机理研究的不足之处,提出了混凝土力学性能与力学机理的"宏细统一,拉压同质,压拱拉裂"的研究思路与力学模型。此研究思路与力学模型,有可能较好地统一混凝土宏观非线性力学行为与细观损伤演化过程,较好地解释混凝土在拉压应力、拉压循环应力等状态下力学行为的细观损伤机理(本质)。

基于有限元计算细观力学的复合材料宏观性能的一体化预测

基于有限元计算细观力学理论,以MSC.PATRAN为平台,利用PCL实现了RVE的参数化自动建模,建立了RVE库。并根据不同的细观力学方法,通过在后台对RVE边界条件的设置及有限元计算,集成了相应的计算程序,从而实现了复合材料宏观性能的一体化预测。最后,以单向复合材料的宏观弹性模量预测为例,展示了一体化预测系统。

基于细观力学的多相耐火材料压缩状态损伤表征

针对多相复合耐火材料压缩状态下的非线性力学行为,在细观损伤力学的基础上,对改进的广义自洽模型进行逆向求解,研究多相耐火材料受到压缩载荷时的损伤行为,提出一种能表征多相耐火材料在压缩载荷下非线性损伤行为的方法。以AMC(aluminum-magnesium-carbon)多相耐火材料为例,利用该方法对其在受压状态下的力学行为进行表征。结果显示,表征结果和实验值吻合较好,为多相复合耐火材料的损伤表征提供了一种思路和理论基础。

基于BP神经网络的岩土体细观力学参数研究

目前颗粒流计算方法中所采用的细观力学参数,均需根据岩土体宏观力学参数试验结果反复调试获取,调试效率很低且有较大的盲目性,因此,急需引入一种新方法,建立岩土体宏观力学参数与细观力学参数的关系。基于PFC3D程序,采用BP(back propagation)神经网络方法,建立宏观力学参数与细观力学参数的非线性模型,通过输入宏观力学参数,即可快速、准确地反演岩土体细观力学参数。研究结果表明:(1)根据BP神经网络模型反演确定的细观力学参数,输入数值模型计算其宏观力学参数,结果与试验值相比,精度一般高于90%;(2)当模型最小尺度上的颗粒数RES=10、隐含层含6个神经元时,BP神经网络模型的反演性能最佳。实例计算表明,BP神经网络模型对于岩土体细观力学参数的确定具有良好的反演性能,该方法为颗粒流理论的推广应用提供了新的技术手段。

煤岩固–气耦合细观力学试验装置的研制

为从细观力学的角度出发研究含瓦斯煤岩变形破坏规律,研制一种煤岩固–气耦合细观力学试验装置,并对装置密封、透明视镜等关键技术难点进行深入分析。该试验装置主要由加载系统、充瓦斯系统、细观观测系统和声发射监测系统4个部分组成。与现有的细观试验装置相比,该装置具有以下特点:可提供单轴、平面应变、三轴(σ2=σ3)三种受力状态;试验测试方法多样化,可进行试验过程中的实时显微图像观测和应力–应变、声发射信号的采集;具有良好的气密性和耐爆性,创造具有瓦斯的试验环境,使煤与瓦斯突出机制的试验研究更加接近矿山实际;装置的结构简单,成本低,系统可靠性高。利用该装置进行瓦斯压力为1.0MPa、围压为1.0MPa(σ2=σ3)下的煤岩细观力学试验,得到煤样受力破坏全过程的表观图像和声发射特征,以此分析试件破坏前后局部区域张拉裂纹的形成和扩展情况。初步的试验结果表明,该试验装置为固–气耦合条件下的相关试验研究提供新的测试手段,具有较大实用价值。

基于均匀化理论的岩石细观力学损伤模型及其应用研究

基于均匀化理论构建细观力学损伤模型的热动力学框架,提出运用Eshelby夹杂问题解的岩石损伤摩擦耦合模型。其中,岩石被认为是由弹性固体基质和裂纹构成的非均匀材料。在细观力学分析的基础上,首先导出裂隙岩体宏观自由能的一般表达式及相应的热力学力,进而采用库仑型滑动摩擦准则和非关联流动法则来确定非弹性应变的变化率;损伤的演化用修正的Mazars损伤准则来描述。该模型能够考虑岩石及岩石类材料在外力作用下的主要力学现象如非线性应力–应变关系、材料损伤的各项异性、裂纹面内损伤和滑移的耦合、静水压力对力学响应的影响、体积膨胀以及裂纹闭合效应等。用提出的细观损伤模型模拟大理岩的常规三轴试验。研究结果表明,模拟值和试验值之间有较好的一致性,从而验证了模型的合理性和有效性。