混凝土细观断裂模拟及损伤演化表征

为定量表征混凝土破坏过程中裂纹扩展及损伤演化规律,借助激光扫描技术与骨料投放算法构建混凝土细观结构模型,结合室内试验,基于连续-非连续单元方法(continuous-discontinuous element method,CDEM)对数值混凝土切面细观模型进行单轴压缩数值模拟。结果表明:模拟所得应力-应变曲线及破坏模式与室内试验吻合较好;混凝土细观损伤演化过程表现为裂纹萌生、扩展、贯通、最终破坏的典型阶段特征,细观破裂度可揭示混凝土在破坏过程中的细观损伤演化规律;分形维数能够定量表征混凝土受压破裂过程中裂纹发展的复杂随机性,sigmoid型演化模型适用于描述混凝土单轴压缩裂纹分形维数的非线性演变过程。

RDX晶体的破碎与细观断裂行为

研究了RDX晶体颗粒集合体的破碎以及单晶体的细观断裂行为。对三种RDX晶体颗粒的压制响应行为进行了研究,通过定义破碎比来描述晶体的凝聚强度和破碎程度。实验测定表明,商业级粗原料颗粒破碎比最高,约为1.53,最易破碎,而重结晶颗粒为1.47,球形化颗粒的破碎比最小,为1.17,最不易破碎。在压痕试验中,研究首次报道了RDX(210)面上的规则跳突现象。根据加载卸载曲线,计算了RDX的屈服应力为465MPa,远低于压痕试验测定的硬度值550MPa,进一步计算了加载卸载曲线的振荡应力幅值为8MPa,其对应的压入深度为1μm,即RDX晶体(210)面上规则跳突现象发生在约为1μm的深度范围,文中讨论了这一深度值的意义。

岩石细观断裂过程的分叉与混沌特征

根据岩石在单向压缩应力状态下细观断裂过程及微裂纹演化的试验研究结果 ,对各级应力状态下岩石的微裂纹数目和方向进行了统计分析 ,并在此基础上建立了描述微裂纹生长和演化的数学模型 ,采用现代非线性科学的分叉和混沌理论对岩石细观断裂过程和微裂纹演化过程中的分叉与混沌特征进行了研究 ,其结果表明 :当表征砂岩微裂纹存活比和闭合效应的特征量取一定值时 ,其微裂纹的演化可用Logistic方程来描述 。

裂尖大应变细观断裂研究

本文用反映空穴形棱成长的Gurson本构方程来描述裂尖区域材料在大应变情形下的力学特性,并进一步考虑了空穴演变对材料杨氏摸量的影响.文中用上述本构方程分别结合弹性大应变有限元方法对平面应变Ⅰ型裂纹问题作了计算,分析了裂尖应力分布、裂尖形状变化和裂尖空穴演变过程,并与用Prandtl-Reuss本构方程计算的结果作了比较.

有限弹簧法在钢筋混凝土细观断裂分析中的应用

叙述了依据计算几何学的分割理论划分多边形单元的计算前处理系统 ,及其有限弹簧法在钢筋混凝土构件细观断裂数值模拟中的应用。该模拟系统的主要特色为 :一是利用有限弹簧法的单元形状任意性来考虑混凝土断裂模拟时单元形状的影响 ;二是利用其变位不连续性模拟构件从微细裂缝到断裂的全过程 ;三是把钢筋和混凝土分别看成具有不同性质的微小构造单元来考虑其界面性质。数值模拟钢筋混凝土构件在拉伸作用下的断裂全过程 ,考察钢筋的螺纹抵抗作用及其保护层的约束机理。

模拟水泥基复合材料细观断裂过程的随机弹簧元

叙述了水泥基复合材料从微观裂缝发生到断裂形成的一个计算机模拟系统。该系统主要是通过把骨料和水泥基分别看成具有不同性质的构造单元考虑水泥基复合材料的非均质性;用弹簧元法的单元形状任意性与变位不连续性模拟其构造上的随机性及其断裂形成过程。并以数值模拟混凝土试件的拉伸断裂和压缩断裂为例,探讨材料的裂缝细观进展机理及其和宏观力学特性的关系。

三维沥青混凝土细观断裂模型研究及分析

为弥补沥青混凝土二维细观断裂模型在表征沥青混凝土的复杂的断裂特征方面还存在明显的缺陷与不足,在内聚力模型的基础上建立了三维细观断裂模型。本文介绍了建立模型的主要方法,分析了小梁数字试件的断裂过程,并和二维细观断裂模型进行了比较分析。结果表明:二维数字试件的最大承载力和三维数字试件的最大承载力基本一致,但达到最大承载力时消耗的能量和达到完全破坏时消耗的能量相差较大。

考虑纤维取向特征的超高性能混凝土三维细观断裂

钢纤维取向对超高性能混凝土(UHPC)力学性能有显著影响,传统实验方法较难直接控制纤维取向和分布,且缺乏可同时反映UHPC裂缝演化与纤维作用等复杂机理的三维细观模型,造成了定量分析和模拟验证纤维取向影响的困难。为此,首先开展了UHPC直接拉伸实验,采用外置磁场实现纤维定向并利用图像分析获得纤维倾角分布密度,通过数字图像相关技术(DIC)研究了纤维取向对断裂过程、应力-应变曲线的影响。其次建立了可显式考虑纤维取向和分布、不同倾角的纤维拉拔力本构以及基体离散粘性断裂的三维UHPC细观数值模型,并通过开展的直拉实验获得验证。结果表明:建立的细观模型能有效描述UHPC材料复杂的三维断裂过程;UHPC的应变硬化特性、裂缝发展与最终形态、纤维桥连作用等均受到纤维分布和取向等细观因素的影响。

金属材料细观韧性断裂的随机模糊分析

本文在４种材料３０ＣｒＭｎＳｉＡ，４０ＣｒＮｉＭｏＡ，４５钢和２０钢宏观与细观试验结果的基础上，对韧性细观断裂的随机性和模糊性进行了研究。以基于孤立空洞长大模型基础上的临界空穴扩展比模型为例，指出细观空穴形核半径和临界半径可以用对数正态分布描述，其它模型参量可以用正态分布描述。具体分析了这４种材料在不同应力状态和应变水平下的断裂特征，结果表明，考虑参数的随机性，即采用概率断裂力学方法，所得结果比传统的确定性断裂模型接近实验结果。文中进一步讨论了断裂状态的模糊性，提出了考虑断裂状态随机模糊失效慨率的计算模型，算例分析表明，断裂状态的模糊性是事物的本质特性，基于专家经验基础上的模糊断裂分析方法能较全面描述材料及试样的断裂问题。本文建立的方法也适用于其它断裂模型的分析．

混凝土细观结构断裂的分形分析

混凝土材料的细观断裂分析是现今科学的前沿课题之一．采用分形原理模拟了混凝土材料的内部结构分布，并用其同有限元网格结合分析了混凝土的细观断裂行为．可以看出，它为更方便准确地描述混凝土细观结构的非均质性。

碾压混凝土试件细观损伤断裂的强度与尺寸效应分析

为了实现碾压混凝土试件强度性能的仿真计算分析 ,在细观层次上将试件看成是由硬化水泥粉煤灰砂浆、粗骨料、二者之间的粘结带及水泥砂浆中间层面形成的非均质复合材料 ,以随机骨料模型代表碾压混凝土的细观结构 ,应用非线性有限元法 ,模拟试件的细观损伤断裂 ,从而求得其宏观力学强度 ,据此可解释试件的尺寸效应 .计算结果表明 ,试件的单轴抗压强度及劈裂抗拉强度与试验结果较为吻合 ,试件的尺寸效应符合一般规律 ,该方法为碾压混凝土试件强度性能的数值模拟提供了一种新的技术途径 .

缺口夹角对细观解理断裂应力的影响

用弹塑性有限元 (FEM)方法分析了 C- Mn钢不同缺口夹角 4点弯曲试样(4 PB)缺口前的应力 -应变场分布 .精确测量了解理起裂源距缺口根部的距离和细观解理断裂应力σf.结果表明 :当缺口夹角从 10°增加到 90°时 ,断裂时的高应力、应变分布产生了明显变化 ,而σf 值相对保持不变 ;解理的临界事件也没有变化 ,表现为铁素体晶粒尺寸的裂纹扩展进入邻近基体 .因而 σf 主要由临界裂纹的长度决定 ,缺口夹角及与其相关的高应力体积对σf

基于隐式梯度理论的混凝土细观随机断裂模型

根据多尺度力学的基本思想,将隐式梯度非局部化理论与串并联弹簧模型理论相结合,建立了混凝土细观随机断裂模型。通过引入微弹簧断裂应变为服从对数正态分布的随机变量,验证了混凝土材料微观断裂的不可控制性;通过引入非局部化比例,解决了传统串并联弹簧模型的层数敏感性问题。对建立的模型从特征参数、局部应变与损伤的演化发展和层数敏感性几个方面进行了分析。最后,将模型结果与试验结果进行了对比,验证了该模型的正确性。研究结果表明:该模型计算效率高,且更加有利于在计算软件中实现。

基于全域CZM的复合推进剂细观损伤与断裂研究

采用全域 CZM 模型模拟了复合固体推进剂从细观脱湿到基体开裂,直至微裂纹扩展汇合,最后断裂破坏的演化过程,探索了其宏观力学行为发生发展的内在原因。数值模拟结果在微裂纹的开裂特征以及推进剂的宏观应力应变曲线等方面与试验结果吻合较好。研究结果表明,采用全域 CZM 模型能有效模拟复合推进剂材料细观断裂破坏过程及其宏观力学性能;通过参数反演可知混合基体的初始刚度远小于颗粒/基体界面的,而粘接强度和粘接能大于界面的,这使得基体易变形而界面先脱湿;可将推进剂受拉伸载荷的细观力学行为分为四个阶段:无损伤变形阶段、界面部分脱湿阶段、脱湿与基体开裂并存阶段、微裂纹聚合断裂阶段。

三点弯曲下热处理北山花岗岩的断裂特性研究

针对我国未来高放核废料地质处置等重大工程实际需要，开展热处理后岩石的断裂破坏行为研究具有重要意义。以我国未来可能的核废料储库选址地北山花岗岩为研究对象，通过带加载SEM高温试验系统对经过热处理后的花岗岩进行三点弯曲破坏试验，在25℃～100℃范围内，北山花岗岩以脆性破坏为主。在低应力作用下，裂纹扩展主要受到应力集中及多种矿物力学行为及它们之间的黏结力作用大小的影响，最终裂纹的萌生主要发生在矿物颗粒之间较弱的胶结面上，裂纹初始扩展角主要由这些矿物颗粒之间夹角来决定，因此裂纹初始扩展角通常与水平面有个夹角；随着荷载继续增加后，裂纹会逐渐沿着水平方向扩展，这个主要方向的矿物承受了最大的弯曲拉应力，而岩石的抗拉强度通常很低。室温到100℃的范围内，花岗岩平均断裂韧性几乎不发生变化，稍微的波动可认为是花岗岩的非均值性所造成的。通过数字散斑相关计算方法实现岩石细观尺度变形全场测量。测量结果表明，各个矿物颗粒表面发生较为复杂的变形，多个矿物颗粒界面两边发生完全相反方向的位移，这表明界面两边颗粒受到拉应力作用。尽管在初始阶段，变形主要发生在弯曲拉应力最大界面，但最终破坏可能发生在另外地方，这时的破坏主要受到非均匀的弱面所控制。可见，细观尺度岩石的破坏受到最大应力状态处与岩石的非均质处变形的综合影响。

PBX炸药的拉伸断裂损伤分析

采用巴西实验作为间接拉伸加载手段,研究了某PBX(polymer-bonded explosive)炸药试样拉伸作用下的断裂损伤特性。发展了PBX炸药的光学制备技术,获得了试样在光学显微镜下的细观表面形貌和断裂损伤形貌,结合高速摄影和数字相关分析技术获得了试样的形变和破坏过程。实验结果表明该PBX炸药的静态拉伸强度低于3MPa,破坏应变也非常小。根据观测结果,运用晶体穿晶断裂和临界脱粘理论对PBX炸药的拉伸断裂模式进行了分析,认为脱粘裂纹在加载早期即可成核;当晶体开始发生断裂后试样发生宏观破坏。颗粒尺寸较大的晶体容易发生穿晶断裂,颗粒尺寸很小的晶体则容易发生界面脱粘。

含双缺口北山花岗岩的热力耦合断裂特性试验研究

通过带加载SEM高温试验系统对含双预制缺口北山花岗岩进行原位观察热力耦合破坏试验研究。研究表明,北山花岗岩的矿物成分及花岗岩矿物颗粒粒径差异较大,这些矿物具有不同的热学和力学性质(或硬度),这将大大影响花岗岩的破坏机制及断裂韧性,热开裂、力诱发微裂纹的萌生、扩展和贯通等受到热力耦合机制的综合影响,并且这些机制反过来也将影响其他的机制,如渗流场及化学场的变化。对于北山花岗岩I型断裂而言,裂纹的扩展主要受到与其垂直方向拉应力的影响,但试件较大的原生缺陷和较大矿物颗粒对花岗岩的断裂路径影响不容忽视。特别是随着温度的变化,花岗岩的断裂机制将发生变化,低温以沿颗粒(沿晶)断裂为主,而高温以沿颗粒(沿晶)和穿颗粒(穿晶)耦合断裂机制为主。试验表明,75℃之前花岗岩的平均断裂韧性约为4.728 MPa.mm1/2,而75℃之后的平均断裂韧性为3.048 MPa.mm1/2,前后断裂韧性降低了35%左右,这主要是因为温度的升高直接导致热开裂增多,且矿物颗粒之间的胶结作用明显减弱,这逐渐影响了花岗岩的断裂韧性,进而将影响其渗流场和化学场,可见高放核废料储库设计中温度的影响不容忽视。

PBX断裂力学行为研究进展

从常用实验方法、细观断裂模式、宏观断裂力学以及动态断裂方面,概述了近年来国内外关于PBX断裂力学行为的研究状况;介绍了PBX宏观和细观断裂特征及表征手段;阐述了细观结构、力学特性、温度和加载率对PBX断裂行为的影响。指出应开展PBX细观微裂纹萌生和扩展、宏观起裂机理研究,及动态加载下PBX裂纹扩展行为研究,建立适合PBX材料特性的复合型断裂准则。附参考文献51篇。

基于三角对称共晶团断裂的复相陶瓷极限应力预报模型

根据复相陶瓷内三角对称共晶团的特殊结构形式,基于共晶团细观损伤断裂机理建立复相陶瓷极限应力预报模型,为分析复相陶瓷的断裂机理提供理论依据。首先,基于共晶团内纤维端部的应力集中效应,考虑共晶团内基体出现微观塑性流动的特性,利用位错塞积理论和内聚键破裂条件,确定三角对称共晶团的本征断裂应力。然后,基于沿共晶团晶向的微观损伤应变,确定加载函数,考虑三角对称共晶团细观断裂过程中的中性加载条件,计算共晶团的细观损伤断裂应力。最后,考虑三角对称共晶团尺寸的随机性和方向任意性,引入"临界区"概念,在共晶团尺寸和方向服从二维完全随机分布条件下,得到复相陶瓷极限应力的理论预报模型。结果表明,复相陶瓷的极限应力主要由三角对称共晶团的细观损伤极限应力确定,三角对称共晶团内纤维夹杂体积含量和尺寸对极限应力有重要影响。

实时低温条件下露天矿饱和损伤煤系砂岩动态力学特性及其破坏机制

我国许多大型露天煤矿都地处新疆等西部高寒地区,低温环境下边坡岩体中的自由水发生冻结,对损伤岩体的宏微观结构将产生显著影响,使岩体的力学性能进一步劣化,进而诱发大规模滑坡等地质灾害。因此,开展含有初始损伤的饱和煤系岩石在低温条件下的动态力学特性及破坏机制研究,对寒区露天煤矿边坡稳定及安全开采具有重要意义。利用实时低温分离式霍普金森压杆(LT-SHPB)试验系统,对含初始损伤的含水饱和露天煤系砂岩开展了低温冲击加载试验,并结合扫描电镜观测,对其动态力学特性及细观断裂机制进行了系统研究。研究结果表明:①随着冲击速度(强度)的提高,砂岩动态抗压强度、弹性模量及峰值应变均快速增大,表现出显著的冲击强化效应;同时,在固定冲击速度下,抗压强度与弹性模量随初始损伤呈逐渐减小的趋势,砂岩的损伤弱化特性显著,而峰值应变则表现出损伤强化特征;②冲击载荷作用下砂岩破坏程度随着初始损伤及冲击速度的增大逐渐提高,破坏形式呈现出由张拉破坏向粉碎性复合破坏的转化特征;③较常温环境,低温环境下含水饱和损伤砂岩发生显著的冻胀作用,细观上表现为砂岩内部缺陷尺度与缺陷数量增多,其为砂岩动态力学特性产生劣化的根本原因;④砂岩动态破坏形式主要表现为脆性破坏,而在较高初始损伤下,砂岩内部出现了细观韧性断裂形貌,局部韧性断裂显著,当砂岩损伤值由0增加到50.26%,砂岩脆延性系数均呈现出快速增大的变化特征,表明其动态断裂模式呈现出从脆性破坏向韧性破坏的发展趋势。