砂土-混凝土接触面剪切带细观变形特征的试验研究

接触面剪切带的细观变形特征是研究结构物与土体相互作用的核心问题。为探明砂土-混凝土接触面剪切带变形特征,利用大型直剪仪开展砂土-混凝土接触面直剪试验,采用灌砂变形标记法实测砂土变形,依据标记线剪应变沿竖向的变化特征对砂土变形区域进行划分。在此基础上,研究粗糙度、法向应力和密实度对砂土-混凝土接触面剪切带细观变形特征的影响规律。研究结果表明:1)砂土可分为非剪切区、过渡区和应变集中区,应变集中区仅存在剪切面之上。2)规则型接触面的上剪切带厚度均值为33D_(50),远大于下剪切带9D_(50)和“光滑”接触面剪切带厚度20.4D_(50)。3)密实度对剪切带及其过渡区厚度的影响微弱,而粗糙度对其影响显著;法向应力、密实度对应变集中区厚度影响有限,应变集中区厚度随粗糙度的增大近似线性增大;应变集中区长度随粗糙度的增大先增大后减小,随密实度的增大近似线性增大,随法向应力增大而减小。4)随剪切位移增大,上剪切带厚度不断增大而下剪切带厚度先增大后保持基本不变,应变集中区的长度增大,但剪切位移对应变集中区厚度的影响有限。5)获得归一化剪切带厚度取值h_(t)/D_(50)与D_(50)的关系,在有限元模拟规则型结构与砂土的相互作用时,建议砂土体细化网格单元的范围不小于最大剪切带厚度37D_(50)。研究成果深化了砂土-规则型接触面剪切带变形特征的认识,可为大粗糙度、带肋桩的承载变形特性的精细化有限元模拟分析提供重要参考和依据。

冲击条件下泡沫铝的细观变形特征分析

利用SHPB-高速摄影机系统,拍摄到了泡沫铝细观结构在SHPB冲击过程中的变形,分析了试件的应变分布及破坏模式。研究表明,泡沫铝试件在SHPB冲击过程中应变分布是不均匀的,试件两端的应变和应变率远大于中间部分的应变和应变率,即在SHPB实验过程中泡沫铝试件不能严格满足均匀性变形假定。因此,需要考虑对用SHPB方法测量泡沫金属动态力学性能方法进行必要的修正。

基于CT图像的煤吸附甲烷细观变形分形特性研究

为了定量化研究煤吸附甲烷过程细观变形的各向异性特征,通过ACTIS-CT扫描实验系统,开展了恒定温度下方型无烟煤吸附甲烷过程的吸附变形CT扫描实验;根据CT图像,采用质点追踪应变计算算法定量计算了吸附过程中煤内部细观结构的应变变形,讨论了其变化规律。在此基础上,提出了一种基于CT技术煤吸附气体细观变形的非均质性定量化研究方法,应用盒计数维数法计算了分形维数,定量评价了煤细观变形的非均质性,并基于分形几何和细观应变变形分布的物理描述,讨论了分形维数和甲烷吸附各向异性变形特性的关系。研究结果表明:煤吸附气体膨胀变形首先挤压孔隙或裂缝以获得更大的膨胀空间;煤吸附甲烷后引起的细观变形,其非均质性符合分形特征;分形维数与煤吸附甲烷后的膨胀变形率呈负相关性关系,膨胀变形率值越高,分形维数越低,即煤吸附甲烷后越膨胀,煤整体的非均质应变变形的不规则程度越低;相反,膨胀变形率值越低,则分形维数越高,煤整体的非均质应变变形的不规则程度越高。

基于土电阻率的黄土高填方地基细观变形机制

为揭示黄土高填方地基产生变形的细观机制,以吕梁机场试验段为背景,基于土电阻率原理,研发土电阻率–固结联合测定仪,通过原位监测、现场取样和大量室内试验得到不同初始饱和度的Q3黄土在恒定荷载下的电阻率动态变化规律,提出以最优含水率为界限的Q3黄土"电阻率–应变曲线"模型,得到Q3黄土在恒定荷载下的水分迁移规律和结构变化特征。研究结果表明:高填方顶面工后总变形包括两大部分,即地基土及填方表面以下一定深度内填筑体的排水固结变形和深部超固结土的蠕变变形;初步揭示土体产生变形的细观演化规律,同时也为黄土高填方土体的本构模型建立和数值分析中模型的合理选取提供科学依据。

基于光弹测试技术的颗粒材料细观变形试验研究

针对颗粒材料剪切变形的细观尺度研究,介绍了基于密度匹配原理的颗粒实现完全移除底部摩擦力的光弹试验技术。通过对密实度为82%的光弹颗粒系统进行直剪变形研究,研究结果表明颗粒系统在直剪试验过程中,力链的主方向即主应力方向沿着剪切室短对角线方向发展,并贯穿于整个颗粒系统后在剪切室的边界处达到应力平衡;而颗粒系统中各颗粒的位移场在归一化后表现出很好沿剪切室中轴的对称性。

基于数字图像处理技术的溶蚀岩体细观变形破坏机制模拟研究

通过数字图像处理技术对广泛发育于岩溶地区的溶蚀岩体的溶蚀特征进行提取,构建离散元溶蚀岩体模型,并模拟单轴压缩试验研究溶蚀岩体的细观变形破坏机制,以分析溶蚀岩体的变形破坏特征和裂隙演化规律。结果表明:溶蚀岩体模型能够很好地表征岩体的溶蚀特征,对真实的溶蚀形态具有较好的还原作用;溶蚀岩体的累计破坏数曲线呈现“S”型变化特征,即分为裂隙不发育阶段、稳定发育阶段和不稳定发育阶段,溶蚀岩体的破坏具有累进性特点;由于溶蚀孔洞的存在,使得溶蚀岩体接触力力链表现出各向异性特征,随着加载的进行,岩体骨架为抵抗外部荷载的作用,导致接触力在岩体骨架内集中,表现为接触力力链线条变粗;随着应变的增加,试样发生起源于溶蚀孔洞周围的破坏,破坏区域发生卸荷作用,接触力力链被淡化,最终试样发生破坏,力链消失,溶蚀岩体应力应变关系是试样内部接触力变化规律的宏观表现。

基于工业X-CT的人工冻结软黏土细观变形特征试验研究

为探索人工冻结软黏土细观变形特征,对原状软黏土开展4种不同冷端温度冻结条件下封闭系统单向冻融试验,对冻融前后的试样分别进行三维工业X-CT扫描,重构各土样冻融前后的三维X-CT数据模型。通过对比各组试验冻融前后土样细观结构形态的定量变化特征,构建了冻融体积收缩率与冻结冷端温度的定量关系。结果表明,软黏土冻融体积收缩率与冻结冷端温度呈指数衰减关系。工业X-CT作为一种无损检测手段,能够有效表征软黏土冻融前后细观变形特征。

单轴压缩条件下溶蚀礁灰岩细观变形破坏特征研究

礁灰岩的溶蚀对海洋工程和岛礁工程的稳定性有明显的影响。孔隙型溶蚀是礁灰岩常见的溶蚀方式。本文通过构建随机溶蚀孔洞的离散元模型,模拟孔洞型溶蚀礁灰岩的细观变形破坏特征,分析其变形破坏规律与裂隙演化特征。结果表明,基于随机聚类算法构建的溶蚀礁灰岩离散元模型能够很好地模拟孔洞型溶蚀作用,且其变形破坏特征具有明显的规律;随着溶蚀率的增加,溶蚀礁灰岩单轴应力应变曲线由单峰型逐渐转变为双峰型或多峰型,破坏特征由脆性破坏逐渐转变为塑性破坏;随着溶蚀率的增加,礁灰岩单轴抗压强度和弹性模量都逐渐减小,抗压强度呈指数函数下降,弹性模量呈线性函数下降,而泊松比则表现为先增后降,说明试样在高溶蚀率时主要发生结构性破坏;随着溶蚀率增加,礁灰岩的宏观破裂面逐渐消失,由于溶蚀孔洞的相互作用,导致了起源于孔洞周围的裂隙开始萌生,并逐渐贯通,最终导致试样发生整体宏观破坏。本研究成果可为深入认识海洋工程和岛礁工程中溶蚀礁灰岩的变形破坏特征提供理论参考。

裂纹尖端损伤区内细观变形的测量

用莫尔格子方法测量了韧性材料扩展裂纹尖端前方１ｍｍ２范围内细观变形场。由位移场计算了应变场分布。观察了裂纹尖端区域内孔洞的形成与扩展。宏观裂纹扩展与原始裂纹方向成±４５°方向前进。实验发现，在细观区域内裂纹尖端εｙｙ应变分布有奇异性，但是在静止裂纹阶段，不是ＨＲＲ奇异性，在扩展裂纹阶段也不是单ｌｏｇ奇异性。实验测量了距裂纹尖端 ０．１ｍｍ处的应变 εｙｏ，当裂纹扩展时该应变保持为常量，有希望可以代表材料韧性。

煤矸石充填材料在循环载荷作用下的细观变形特征分析

通过夯实机构循环夯实可提高煤矿固体充填体的密实度,从而改善其承载能力,即煤矿矸石充填体的抗变形能力与循环载荷下的细观变形特征具有密切关联。基于此,本文采用颗粒流数值模拟软件PFC重构不规则煤矿矸石柔性簇(Cluster)颗粒数值模型。研究模型在循环载荷作用下的宏细观力学特性,分析累积变形、颗粒破碎指标等对模型细观特征的影响。结果表明:在加载过程中,模型的累积变形和裂隙发育总数等参数随加载次数的增加分为快速增长和逐步稳定两个阶段;分析了模型在循环载荷作用下的内部力链分布。加载前期,力链多集中在加载板附近,并向中部延生;随循环次数增加,整个模型的力链贯通。研究成果可为煤矿固体充填液压支架的结构选型提供依据。

淤泥轻量土抗剪特性及其细观结构变形研究

为了深入探究淤泥轻量土的抗剪特性及其细观结构变形机理,采用室内单轴压缩试验、三轴剪切试验与ABAQUS有限元数值模拟相结合的方法,通过对比细观模拟监测结果与试验成果,系统分析了不同水泥掺量、围压、EPS掺量及其粒径对淤泥轻量土的抗剪强度特性及细观变形的影响。结果表明:①EPS颗粒掺量对淤泥轻量土的破坏应变及其屈服强度峰值有显著影响。②高水泥掺量对其强度特性及结构变形有重大影响,但其破坏应变受其影响不大,试验结果中破坏应变最大仅相差0.5%。③EPS颗粒定点位监测的数值模拟结果表明,在相同条件下,三个点位的EPS颗粒变形及其应力应变关系并不相同,上点位应变值最大,下点位比上点位的应变值平均小约1.5%。另外在一定的压力范围内,试样破坏之前EPS颗粒在土体内发生的位移并不明显,与试样土体的位移仅差0.15 mm,变化速率与室内试验结果一致。

吻合度对节理力学特性影响的细观数值试验

岩石节理经过侵蚀、风化及工程扰动等影响后,节理面往往会呈现出不吻合特征,现有关于节理力学性质的研究均是基于Barton公式考虑节理粗糙度系数的完全吻合岩石节理,对不吻合节理还未系统深入研究,本文试图从细观力学角度研究吻合度对节理力学性质的影响规律。首先通过RIEGL LMS-Z420i三维激光扫描仪现场采集节理面起伏状态,以采集的起伏状态为骨架,采用分形插值函数构造节理面的细观几何形态,通过上、下节理面的水平错位移动来描述节理的吻合度;其次,从节理面凸凹点的细观变形出发,提出这些凸凹点集群化后表现出的宏观力学特征及其数值模拟方法,基于此方法,系统地研究吻合度对节理力学性质的影响规律,并通过试验验证该模拟方法的可靠性。研究表明节理的峰值剪切强度与节理粗糙度和吻合度系数的乘积值以及法向作用力成正比。

电子束熔炼钒合金动态压缩实验及细观分析

本文利用霍普金森压杆(SHPB)进行了动态压缩实验,获得了电子束熔炼钒合金V-5Cr-5Ti的动态压缩应力应变曲线。采用应变冻结的方法,对材料进行不同变形量的动态加载,并对加载后的试件进行观察,研究不同变形范围下材料的细观变形机制,考察变形量对变形机制的影响,并与电弧熔炼钒合金的细观变形机制进行了比较。结果表明:当动态压缩应变率为3600s-1时,电子束熔炼钒合金的流变应力约为700MPa;该材料在常温下的塑性变形机制为位错滑移。

基于数字图像细观模型重构的土石混合体力学特性研究

土石混合体是一种非均匀、非均质、非连续的不良地质体,其力学特性和破坏机制与一般岩土体存在显著差异。鉴于相关研究不够深入,选取边坡工程现场3组不同部位的土石混合体照片,利用数字图像重构方法建立土石混合体细观结构模型。利用PFC2D开展二维数值直剪试验,对土石混合体的力学特性进行研究。探究含石量与强度参数的关系,分析土石混合体的细观变形破坏机制。研究结果表明:在一定含石量范围内,内摩擦角与含石量总体上呈线性增加,而黏聚力与含石量总体上呈指数衰减。剪切带也受含石量的控制。不同含石量的土石混合体的剪切强度与法向应力均满足莫尔-库伦准则。在剪切过程中,不同试样的剪应力-剪切位移曲线均经历了峰前和峰后2个明显不同的阶段,且峰后出现了一定的软化现象。由于峰后石块的咬合与断裂不断产生,应力-应变曲线波动较大,出现剪应力跳跃现象。此外,直剪试验中法向应力越大,剪切带厚度越大,但试样剪胀性却减小。根据剪切过程中试样内部颗粒间接触力的力链演化过程发现,随着剪切位移的增加,为了抵抗剪应力,土石颗粒间接触力的方向发生了明显的偏转,同时颗粒间接触力的大小分布也发生了一定的变化。当试样发生剪切破坏后,随着剪切位移的继续增加,试样内部颗粒间接触力变化不明显。研究结果可为科学合理地治理土石混合体边坡提供理论支撑和保障。

薄板件台阶孔冲压冷锻组合工艺的数值模拟

针对构想的一种薄板件台阶孔冲压冷锻组合工艺,应用金属塑性加工有限元模拟的关键技术,包括几何模型、材料断裂破坏、网格划分等,用DEFORM-3D软件对此种薄板件台阶孔的冲压冷锻组合变形进行数值模拟。得到了工件材料的等效应力、应变分布,速度场和力一行程曲线。提出细观变形过程可分为冲头小直径处冲孔、冲头大直径处压凹和闭式模锻三个阶段的认识,分析组合工艺特点和材料成形性能。用料厚为2.35 mm的AL-1100铝板材料进行工艺试验,获得了清晰的台阶孔形状,验证了数值模拟的认识。

BCC金属物理型动态本构关系及在钽中的应用

构建了一种新的、基于塑性变形物理机制的BCC金属动态本构关系,然后将其应用于军用材料钽,通过采用新的约束条件下的多变量非线性规划方法,结合有关流应力实验数据确定出了多晶钽的本构模型。计算结果表明,该模型与实验数据吻合较好,而与Z-A本构模型相比其准确性得到提高,与NN-I本构模型相比预测能力接近,但实用性更强。另外,验证可知该模型的适用条件可以有效外推至很宽的温度及应变率范围。

宏细观参数对泡沫金属单轴动态拉伸性能的影响

泡沫金属在实际工程应用中往往承受动态荷载,而这种多胞材料的结构优化设计需要基于动静态加载条件下的力学性能。针对泡沫金属的动态性能不能简单地由静态加载性能进行表征的问题,基于3D Voronoi建立的“狗骨头”形试件模型对泡沫金属单轴动态拉伸进行数值仿真实验,定量研究加载应变率、相对密度和形状不规则度参数对泡沫金属动态性能的影响,观察细观变形特征,阐明其破坏机理,并通过量化高速拉伸加载下的惯性效应消除惯性应力的影响,研究泡沫金属单轴动态拉伸破坏性能。结果表明:相对密度参数与形状不规则度参数均对泡沫金属动态拉伸的破坏应力、破坏应变影响显著;泡沫金属在不同应变率加载下的破坏模式也不同,但对模型应力-应变曲线的影响不大。

基于Micro-CT技术的3D机织预制件细观结构分析

基于微计算机断层扫描(Micro-CT)技术重构了纤维预制件的3D细观结构,提出了两个表征纤维预制件几何结构变形的量化指标,研究了纬纱密度和厚度对3D机织预制件细观结构的影响机制。结果表明:Micro-CT技术能够有效表征3D机织预制件内部纱线的截面形态和空间路径;当纬纱密度为2.0根/cm时,预制件试样均表现出明显的变形,不适合实际工程应用;随着纬纱密度的增加,纤维预制件的内部结构趋于稳定;10 mm试样的内部结构比5 mm试样更稳定,但表面纱线的横截面和路径仍然呈现较大的变形。

Bezier曲线优化Voronoi泡沫铝几何模型研究

闭孔泡沫铝材料因其轻质、比强度和比刚度高、抗冲击和吸能特性好等优点在汽车制造等领域应用广泛。然而,目前用于仿真计算的泡沫铝材料几何建模研究仍有不足,广泛使用的Voronoi模型无法模拟真实泡沫铝材料内部圆弧状的胞孔结构。在传统Voronoi模型基础上,建立具有周期性边界的二维Bezier曲线优化模型。通过引入填充度概念,并建立孔隙率关于填充度的一元幂函数方程,可以生成71%~93%指定孔隙率二维泡沫铝几何优化模型,能够还原真实泡沫铝内部结构。利用优化模型进行泡沫铝材料单轴压缩仿真计算,结果相较于传统Voronoi模型更接近试验值。分析优化模型仿真计算过程中随机剪切带的演化,从细观变形角度验证了优化模型的准确性。Bezier曲线优化模型的开发为泡沫铝材料高仿真几何建模研究提供了理论基础。

Application of aluminum foil for “strain sensing” at fatigue damage evaluation of carbon fiber composite

Surface layer of a loaded solid is an individual structural level of deformation that was shown numerously within concept oI physical mesomechanics. This gives rise to advance in its deformation development under loading as well as allows using this phenomenon to sense the strain induced structure changes. It is of specific importance for composite materials since they are highly heterogeneous while estimating their mechanical state is a topical applied problem. Fatigue tests of carbon fiber compo- site specimens were carried out for cyclic deformation estimation with the use of strain sensors made of thin （80 jam） alumi- num foil glued to the specimen＇s surface. The surface images were captured by DSLR camera mounted onto an optical micro- scope. Strain relief to form during cyclic loading was numerically estimated using different parameters： dispersion, mean square error, universal image quality index, fractal dimension and energy of Fourier spectrum. The results are discussed in view of deformation mismatch in thin foil and bulk specimen and are offered to be applied for the development of Structural Health Monitoring （SHM） approach.