2D-C/SiC复合材料的面内剪切本构模型

为了表征2D-C/SiC复合材料的面内剪切行为,考虑基体开裂、界面脱粘、纤维桥连弯曲等损伤机制,提出宏细观两尺度下的含损伤体元模型;引入热失配应力的影响,在分别表征卸载弹性应变和残余应变的基础上,建立材料的温度相关面内剪切本构模型。开展室温单调加载和加卸载面内剪切实验,发现残余应变和弹性应变均随剪应力的增大逐渐增大,而卸载模量随剪应力的增大持续减小。将模型用于2D-C/SiC复合材料剪切行为的模拟,结果表明:模型对于弹性应变、残余应变、卸载模量和整体应力-应变曲线的预测值均与实验数据吻合,验证了分析模型的合理性与准确性;在此基础上,给出2D-C/SiC复合材料在不同温度下的面内剪切应力-应变关系曲线,为热结构设计提供参考。

CFRP构件垫圈/衬套铆接损伤及拉剪性能试验研究

碳纤维增强复合材料(CFRP)易发生铆接损伤,通过试验方法开展垫圈/衬套铆接损伤行为及其拉剪性能研究,研究结果表明:镦头不均匀膨胀及下压会导致净铆接和衬套铆接出现不同程度、多损伤模式铆接损伤,而垫圈/衬套铆接后并未出现明显损伤。净铆接试件与垫圈/衬套铆接试件的拉剪力-位移响应呈现出明显的线性、渐进损伤和失效破坏的特征,而衬套铆接由于减小了镦头与层板的有效紧固面积,衬套铆接试件拉剪力-位移响应仅包含线性和失效破坏阶段,其拉剪峰值载荷亦最低。净铆接试件和垫圈/衬套铆接试件的拉伸失效模式均为层板剪切与铆钉拉脱耦合失效,拉脱失效模式为层板铺层断裂和分层,且伴有层板弯曲变形;衬套铆接试件拉剪过程中均发生铆钉直接拉脱破坏。

CFRP构件带衬套抽芯铆接损伤及剪切性能

为了提高飞机碳纤维增强树脂基复合材料构件的铆接质量,针对飞机开敞性较差的CFRP构件铆接损伤问题,开展了带衬套单侧抽芯铆接工艺研究,并研究了接头拉伸剪切性能,结果表明:衬套可有效限制CFRP孔内铆钉杆不均匀膨胀,但铆钉杆膨胀引起衬套胀大并与CFRP孔壁形成干涉配合,即使在衬套的限制下,铆钉杆过大的膨胀量也会引起铆接损伤;在拉伸剪切过程中,试件力-位移响应均呈现出明显的线性增长阶段、屈服阶段和瞬态断裂破坏阶段特征,试件最终失效均为铆钉拉脱,但同时CFRP层板出现明显的剪切损伤区域且连接孔被挤压变形,最终失效模式呈现出耦合失效模式;由于二次弯矩的作用,拉伸剪切过程中试件实际承受拉剪耦合加载,试件先发生剪切损伤,随后镦头沿铆钉杆长度方向挤压CFRP层板孔周,最终导致试件拉脱失效;衬套有效参与了拉伸剪切传载,但减小了镦头与CFRP层板的实际接触面积,通过工艺参数优化可防止拉脱失效。

ABAQUS混凝土损伤塑性模型的静力性能分析

为评估ABAQUS有限元软件中混凝土损伤塑性模型分析混凝土材料和构件静力性能的能力,用该模型对混凝土材料单轴、双轴应力状态下力学性能以及构件的抗弯、抗剪性能进行模拟,并与试验结果进行对比分析。结果表明,混凝土损伤塑性模型可以较为精确地模拟单轴受压、单轴受拉、双轴受压以及双轴受拉状态下混凝土材料的力学性能,能较好地反映双轴应力状态下的材料破坏包络线,也能较好地预测钢筋混凝土构件的抗弯和抗剪性能及其破坏特征,但不能很好地描述双轴拉压应力状态下混凝土材料的力学性能,也不能反映材料的体积应变发展变化规律。

钛合金(Ti—17)的动态力学性能和损伤特性

利用分离式Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆冲击加载装置，采用圆柱和锥台两种试样，在高应变速率加载条件下研究Ｔｉ－１７合金的应力应变响应和动态损伤特征实验结果表明，动态屈服应力和断裂应力比静态相应值高宏观损伤对应变速率敏感，而对应力不敏感，出现宏观损伤的临界应变速率．试样微观解剖显示绝热剪切带是材料宏观损伤的先兆，试样主要沿剪切带发生破坏、在垂直加载轴的横截面上，绝热剪切带呈圆弧形，平行加载轴剖面上绝热剪切带沿最大剪切应力方向．

结构性损伤膨胀土三轴加载下的裂隙形态及力学表征

基于Kachanov连续损伤变量及Fredlund非饱和土有效应力理论,提出了结构性损伤膨胀土的强度表征方法。以南水北调中线工程南阳膨胀土为研究对象,利用改进型非饱和土三轴仪对不同损伤程度的三组15个重塑试样进行控制净围压分别为50,100,150 k Pa的三轴压缩试验,定量分析荷载作用下初始孔洞损伤基元及裂隙演化形式对膨胀土力学特性的影响。实验表明:考虑结构性及损伤的非饱和土力学表征能够很好地描述土体的力学行为;孔洞损伤对膨胀土强度没有一致的强化或弱化效果,而裂隙发育形态、演化形式对土体结构及强度起主导作用;围压能够一定程度上抑制裂隙的开展,通过裂隙面咬合产生强度。根据破坏机制将该力学关系表示为裂隙发育及残余强度两个阶段,线性硬化破坏、弹塑性破坏、脆塑性破坏、线性软化破坏四种破坏模式。研究可为揭示膨胀土边坡破坏的力学机制及预测提供新的参考。

平纹编织C/SiC复合材料的剪切性能

采用IOSIPESCU纯剪切试件,改进反对称四点弯曲装置进行循环加卸载,试验研究了CVI工艺二维平纹编织C/SiC复合材料的面内剪切特性。分析了不同应力水平下卸载模量、残余应变的变化。基于试验研究结果,将剪切应变分解为弹性应变与非弹性应变,分别分析弹性应变和非弹性应变的变化规律,给出了剪切应力应变关系表达式。试件断裂时,最窄截面位置形成平断面,断面扫描电镜分析发现,基体和界面裂纹是主要损伤机理,0°纤维束最后断裂。

三维编织复合材料圆柱销剪切试验与数值模拟

复合材料紧固件连接技术是复合材料结构加工制造的关键技术之一,针对三维编织复合材料圆柱销紧固件的剪切性能进行了试验和有限元数值模拟分析。试件采用了三维全五向编织工艺进行制备。通过双剪性能测试得到了三维编织复合材料圆柱销的极限承载能力和破坏断裂形式,采用均匀化方法对圆柱销试件的宏观弹性常数进行了预测,采用改进后的Tsai-Hill准则并引入连续介质损伤力学建立了一套三维编织复合材料强度分析方法,并根据该方法对圆柱销试件在剪切载荷作用下的渐进失效破坏过程进行了有限元分析,计算结果与试验结果具有良好的一致性,表明提出的强度分析方法在预测三维编织复合材料结构件的宏观强度性能方面是有效可行的。

CO_2泡沫压裂液的研究及现场应用

在水力压裂过程中,由于向地层中注入大量的压裂液,对地层造成了一定程度的伤害,特别是低渗透油藏压裂液对地层的伤害更加严重,从而影响了增油效果。由于CO2泡沫压裂液具有滤失量低、返排能力强、与地层流体配伍性良好等优点,采用CO2泡沫压裂技术,可减小压裂液对地层的伤害。经过对CO2泡沫压裂液的各种添加剂进行优选与评价,确定了适合低渗油藏使用的CO2泡沫压裂液体系,并对其综合性能进行了评价。结果表明, CO2泡沫压裂液体系具有泡沫质量高、稳定性好、半衰期长、粘弹性大的特点,并有良好的耐温耐剪切性能和流变性能,破胶彻底,界面张力低,对储层伤害小,可以满足低渗、低压油气藏压裂施工的需要。CO2泡沫压裂液在吉林油田和大庆油田的低渗透油藏中进行应用,取得了良好的效果。

吸湿后三维编织复合材料剪切性能研究

本文对三维四向编织复合材料和长碳纤维复合材料吸湿后的剪切性能进行了研究。从试验角度得到了吸湿对复合材料的剪切性能的影响规律。并对试件断口进行了扫描电镜观察 。

冻结重塑黏土损伤特性及影响因素分析

基于连续损伤力学理论及冻土横观各向同性损伤变量的计算方法，利用冻土常规三轴剪切试验，系统分析了不同温度、含水率和围压条件下冻结重塑黏土的损伤特性。研究结果表明：①不同试验条件下冻结重塑黏土损伤演化曲线规律一致，前期增长比较快速，后期变化相对平缓，且最大轴向损伤变量D1max般介于0．6～0．8之间：②温度对冻结重塑黏土损伤特性影响较明显，降低温度可以明显强化冻土结构，减少冻土结构的损伤及延缓冻土损伤的发展，而含水率和围压对其影响不明显；③割线模量可以较好地表征冻土在加载过程中裂缝的发展特点和结构的损伤演化规律，损伤初始点轴向应变和割线模量与温度之间存在较好的线性增长关系，且冻结重塑黏土损伤应变门槛值晶一般介于0．3％～0．7％，对应的割线模量一般介于200-550MPa。

基于能量耗散机制的粗粒土圆度损伤特性分析

圆度损伤是研究粗粒土力学特性变化的重要指标,为探索剪切过程中粗粒土圆度损伤的演化过程,定性及定量从能量角度对损伤本质进行分析。根据能量耗散原理,分析了剪切系统及单个颗粒剪切过程中能量的耗散与传递。结合弹塑性力学与热力学定律,定义粗粒土圆度损伤因子Dr,建立了基于能量耗散下的圆度损伤模型。采用剪切试验研究不同圆度的花岗岩和卵石颗粒的强度特性,以观测效果较好的花岗岩颗粒为研究对象,研究不同法向应力下的圆度损伤演化过程,运用MATLAB对模型及试验数据分析。结果表明:圆度不同的颗粒(花岗岩、卵石)随圆度减小,传递到颗粒内部积聚的塑性势能增大,更易在颗粒边界棱角处产生微裂纹使颗粒磨损,从而增大粗颗粒圆度,强度特性减小;剪切试验粗粒土圆度损伤演化过程存在2次损伤拐点,可分为圆度损伤响应、圆度损伤演化、圆度损伤稳定3个阶段;同一类型颗粒法向应力增大,达到损伤临界状态圆度损伤所需能量增大,圆度损伤因子减小。基于能量耗散下建立的圆度损伤模型阐述了剪切过程中的圆度损伤,试验结果能合理地反应圆度损伤演化过程中颗粒力学特性响应。

直剪状态下再生混凝土的变形性能及损伤分析

为研究再生混凝土直剪状态下的变形性能与损伤演变规律,以再生粗骨料取代率为变化参数,设计了33个再生混凝土试件进行直剪试验。试验观察了再生混凝土直剪荷载作用下的破坏形态,获取了再生混凝土直剪破坏全过程剪力-位移曲线,深入分析了精细化取代率对再生混凝土剪切模量、延性变形、能量耗散、损伤演变等性能的影响规律。结果表明:随着取代率的增加,再生混凝土的剪切模量减小,延性变形和能量耗散增加;取代率对损伤速率和损伤全过程曲线的影响不大,但对初始损伤时间有一定影响。基于抗剪强度试验结果,提出再生混凝土剪力-位移全曲线方程与再生混凝土损伤本构方程,所得计算结果与试验结果拟合较好。

浸水条件下环氧微表处与沥青路面层间抗剪性能的试验研究

微表处在工程应用过程中受水与车辆荷载作用,容易产生推移或整片剥落。为此,在微表处中添加适量不同种类的水性环氧树脂(Water-borne Epoxy Resin,WER)形成环氧微表处,通过拉伸试验和自主设计的45°斜剪试验,研究WER对环氧微表处在浸水条件下层间抗剪性能的影响。试验结果表明:胶结料在掺入刚性较大的WER后,随浸水时间增加,胶结料塑性变形能力削弱,弹塑性阶段与塑性阶段减短,脆性增加,而掺加柔性的WER,塑性阶段持续时间较长;浸水状态下,环氧微表处与沥青路面的层间抗剪强度影响因素主次顺序为油石比>WER掺量>WER掺加方式,而切向变形率的影响因素主次顺序为WER掺量>WER掺加方式>油石比。在工程应用中,建议采用油石比7%、WER掺量8%~12%且将环氧树脂与固化剂预先调和后加入水中,然后与集料进行拌合。

CFRP修复隧道中冻融损伤混凝土层间力学性能研究

为研究CFRP修复黄土隧道的安全性问题,结合西安地铁2号线鱼化寨附近区间隧道与基坑连接处部分混凝土冻融损伤加固工程案例,对CFRP修复不同冻融程度的混凝土结构进行弯剪试验。研究结果表明:随着冻融次数的增加,修复试件的抗弯承载力逐渐下降,延性增加,层间位移加大;混凝土结构的承载力和挠度主要随着CFRP中CF布粘结长度的增加而提高。据此建议增加CFRP中CF布的粘结长度和粘贴层数。

基于细观力学脆性岩石剪切特性演化模型研究

压缩作用下岩石内部细观裂纹扩展导致岩石产生损伤,其对岩石变形、强度等力学特性有着重要影响;然而,岩石内部裂纹扩展与剪切特性(黏聚力、内摩擦角及剪切应力)动态演化关系很少被研究。基于裂纹扩展机制推出的岩石应力-应变本构模型,并结合摩尔-库仑失效准则,推出了在岩石应力-应变关系峰值应力(对应岩石压缩强度)状态时,本构模型细观力学参数与岩石黏聚力、内摩擦角及剪切强度之间的状态关系。然后,引入岩石应力-应变本构关系塑性变形阶段服从摩尔-库仑屈服准则的力学流动规律,进而将已推出的应力-应变关系峰值状态点所满足的细观力学参数与黏聚力、内摩擦角关系,推广到岩石进入塑性变形后,岩石内部裂纹扩展(或应变)与黏聚力、内摩擦角及剪切应力动态演化的理论关系。随着裂纹扩展或应变增加,黏聚力、内摩擦角及剪切应力先增大,达到一个峰值点后减小,该结果与应力-应变本构曲线变化趋势相对应。通过试验结果验证了所提出理论结果的合理性。并讨论了初始裂纹之间摩擦系数对黏聚力、内摩擦角及剪切应力随裂纹扩展或应变演化规律的影响。

平纹编织C/SiC复合材料层合板偏轴拉伸性能研究

通过理论和试验方法,分析了平纹编织C/Si C复合材料的偏轴拉伸性能。在室温下进行(0°/90°)和(±45°)、(30°/60°)试件的轴向拉伸试验和(0°/90°)试件的面内剪切试验。结果表明,材料的面内力学性能与材料纤维的方向角有明显的关系。经典层合板理论在初始低应力阶段仍然适用于平纹编织C/Si C复合材料,但随着载荷的增大,由于拉剪损伤耦合效应的影响,计算的应力-应变曲线逐渐偏离试验曲线。根据试验数据,给出了拉剪耦合的影响公式,对经典层合板理论模型进行修正,由修正后模型得到的计算应力-应变曲线与实测曲线吻合很好。

煤储层低伤害CO_(2)泡沫压裂液

泡沫压裂液经济适用性强,且能满足煤层压裂施工的性能要求。其中气相为CO_(2)的泡沫流体还兼具助甲烷解吸的效果,但CO_(2)泡沫流体制备复杂,难以进行室内评价,不含聚合物的CO_(2)泡沫稳定性又差。针对CO_(2)泡沫流体的问题,提出了在非密闭条件下制备CO_(2)泡沫,并引入复合稳泡剂,形成了一套低伤害CO_(2)泡沫压裂液体系。通过实验确定了复合稳泡剂的最佳使用浓度为0.46%~0.90%,其中液膜型稳泡剂与界面型稳泡剂的比例为2∶1~20∶3。考察了CO_(2)泡沫压裂液体系基本性能,结果表明,该体系具备优良的黏土防膨性能、煤粉分散性能、耐温抗剪切性能。通过模拟煤层气开采方式,对煤样进行处理,考察CO_(2)泡沫压裂液体系对煤层损害程度。结果表明,该压裂液对煤层的伤害较低,对煤储层改造具有较高的价值。

镀层材料热及力学特性对枪管寿命的影响

为研究枪管镀层材料性能对枪管寿命的影响,综合运用身管镀层剪切失效理论和疲劳损伤累积理论,提出了基于镀层界面剪切疲劳损伤的枪管寿命预测模型.以某小口径步枪为研究对象,基于有限差分法,对内膛涂镀铬、钽和氮化硅三种不同材料的枪管在10连发射击过程中的温度场分布、镀层内应力分布以及枪管寿命进行了数值计算,研究了镀层材料的热及力学特性对枪管寿命的影响.研究结果表明,镀层的热扩散系数、影响因子η及断裂长厚比是影响枪管寿命的几个关键性能,其中断裂长厚比对界面切应力和枪管寿命的影响最大,拥有较大断裂长厚比的镀层可以在射击过程中显著降低界面切应力,进而提高枪管寿命.

沉管接头混凝土剪力键力学性能模拟方法

对于地基沉降、高水位差变化、突发地震等不利工况来说,沉管接头剪力键是控制接头剪切刚度和变形的关键要素,通过混凝土塑性损伤本构建立接头剪力键模型,进而对沉管隧道接头的安全性、耐久性、力学性能进行一定的研究。运用有限元方法并结合适当的材料本构模型对沉管接头进行数值模拟,可为后续大比尺模型试验的设计提供一定参考依据。采用混凝土材料的塑性损伤本构模型,考虑混凝土应力-应变的非线性以及GINA止水带压缩变形的非线性,通过沉管隧道接头的三维精细化建模,按照实际工程情况分别研究了不同水压下管节接头的水平剪切刚度、最不利工况下管节接头的水平剪切极限承载力、钢筋混凝土剪力键的剪切破坏形态和力学特性,预测了管节接头的力学性能以及剪力键的破坏发展形式。