基于循环孔洞扩张模型的X型圆管节点超低周疲劳寿命预测

海洋工程钢结构在服役过程中,受风、浪、流或地震等极端循环载荷的影响,易发生超低周疲劳断裂破坏,造成人员伤亡及财产损失,因此超低周疲劳断裂分析及寿命预测对于海工结构安全性评估至关重要。然而,现阶段基于累积损伤理论提出的多种超低周疲劳寿命预测模型无法对多尺度节点实现统一预测,造成了实际工程应用的不便。因此文中基于循环孔洞扩张模型开展X型圆管节点超低周疲劳寿命预测。首先,开发了基于循环孔洞扩张模型的VUSDFLD程序,实现ABAQUS与FORTRAN子程序联合应用,利用有限元分析验证循环孔洞扩张模型在X型圆管节点超低周疲劳断裂分析中的有效性;其次,根据多组X型圆管节点超低周疲劳断裂有限元分析结果,在宏观层面提出了一种基于Manson-Coffin公式的超低周疲劳寿命预测公式;最后,依据Miner理论,将适用于等幅加载的超低周疲劳寿命公式扩展至变幅加载情况,验证了多种节点尺寸下超低周疲劳公式的适用性,为工程应用提供了理论依据。

海洋环境下钢筋锈蚀产物微观结构及体积膨胀规律研究

明确实际海洋环境下钢筋锈蚀产物的微观结构和体积膨胀规律对建立混凝土的锈胀开裂模型具有重要意义。本工作依托海洋基础设施长期性能交通行业野外观测研究基地开展了裸露钢筋、预埋钢筋混凝土试块、温州某码头锈胀开裂横梁混凝土构件的钢锈蚀产物取样工作。此外,采用室内加速通电90 d的方式制备了通电锈蚀预埋钢筋混凝土锈蚀产物。在此基础上,通过X射线衍射仪(XRD)、热重分析仪(TG)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)等微观表征手段对不同锈蚀产物进行了微观结构和体积膨胀规律分析。结果表明:裸露钢筋锈蚀产物的主要成分为α-FeOOH、γ-FeOOH、Fe_(3)O_(4)、Fe_(2)O_(3)。钢筋混凝土锈蚀产物的主要成分为α-FeOOH、Fe_(3)O_(4)和Fe_(2)O_(3)。通电锈蚀预埋钢筋混凝土、温州某码头开裂横梁、预埋钢筋混凝土试块、裸露钢筋的锈蚀产物体积膨胀系数逐渐增大,分别为2.27、2.39、2.48、2.61。另外,和室内通电锈蚀相比,真实海洋环境下钢筋锈蚀产物的微观形貌更为致密。

干旱和局部渗水对膨胀土渠堤稳定性影响研究

为探究膨胀土渠堤表面风干、地下水位升高和侧坡渗水等因素对其稳定性的影响,防控由此引发的现场灾害,开展了填方渠坡室内模型试验,研究了南水北调渠堤膨胀土含水量波动对渠坡变形和裂缝发育规律的影响,分析了边坡变形值、裂缝长度宽度与含水率、时间和渗水位置的关系,揭示了膨胀土含水量波动的致灾过程和时空发育规律。试验结果表明:(1)旱季坡面水分蒸发导致渠坡表层200 mm深度内首先产生垂直坡表面的“V”形簇状纵向裂缝,后逐渐水平发育,坡面最大沉降值为4 mm, 15 d后沉降趋于稳定;(2)雨季渠堤下部地基水位抬升使渠堤底部膨胀土发生显著膨胀,渠堤整体抬升3.32 mm;(3)在渠堤侧坡渗水中心点附近土体含水量上升8%以上,坝堤内自由水沿纵横向不均匀扩散而引起土体各向不均匀膨胀变形,并在右坡坡脚处产生长400 mm、宽14 mm的宽大裂缝;(4)基于膨胀系数的地基变形计算公式可以较好地预测渠坡浸水后各位置的变形量,有助于依据土体含水量判别各点的变形状态,为渠堤稳定性分析提供参考。

基于多项式混沌展开的钢结构局部裂纹识别

裂纹预测是结构健康监测领域的重要研究内容之一。利用多项式混沌展开代理模型(Polynomial chaos expansion, PCE),对钢梁结构的局部损伤情况进行了预测。代理模型采用初始样本建立响应与损伤参数的联系,以替代原有的结构响应及其物理参数,在损伤识别时有效降低了重复调用有限元软件划分网格的频率以及有限元计算所需的时间,提高了识别效率,并采用Bregman迭代和贪心坐标下降法结合的稀疏PCE构造算法。数值算例和实验研究表明:PCE模型预测精度和计算效率均远远高于蝴蝶优化-人工神经网络模型(BOA-ANN)、粒子群优化-人工神经网络模型(PSO-ANN)和遗传优化-人工神经网络模型(GA-ANN),在简支梁结构和板结构中效果显著,为工程结构损伤识别与评估提供了理论方法。

钢筋锈蚀导致混凝土构件保护层胀裂的全过程分析

本文描述了从钢筋锈蚀开始直至因钢筋锈蚀而导致混凝土保护层胀裂的整个过程,包括铁锈自由膨胀阶段、混凝土保护层受拉应力阶段和混凝土保护层出现胀裂裂缝阶段,总锈蚀深度是3个阶段深度之和。据此,建立了混凝土保护层胀裂时钢筋锈蚀深度的计算模型,以计算该时刻的钢筋锈蚀深度。分析了影响混凝土保护层胀裂时钢筋锈蚀深度的各个因素,包括混凝土水泥石毛细孔的体积、混凝土保护层的厚度、钢筋直径和铁锈膨胀率。与已有的试验结果对比表明,本文建立的混凝土保护层胀裂时钢筋锈蚀深度的计算模型,与试验结果符合较好。

干湿循环下膨胀土边坡稳定性的离心模型试验

通过离心模型试验,研究了干湿循环下膨胀土边坡的变形和稳定性.分析了裂缝的发生和发展过程,以及水份入渗对膨胀土边坡稳定性的影响.揭示了膨胀土边坡失稳的破坏机理.

新疆东昆仑白干湖钨锡矿田矿化体模型

白干湖钨锡矿田矿床类型属构造导控的高温热液型,矿化体几何形状取决于导控构造及容矿岩石的性质.该矿床容矿岩石有绢云石英片岩、石英透闪石岩、变质辉长岩、蚀变花岗岩等区内所有岩石类型.矿化是以均匀的微细脉浸染为主,矿化岩石与同类型未矿化岩石特征差别无几,矿化期交代作用十分微弱.矿石类型属于微细脉浸染及富细脉型.矿化体模型是在基本了解矿床地质特征,成控规律以及地表主要矿体形态数据基础上拟建的.理论上,矿化体是以导矿构造为骨架的简化板状矿化体,与易矿化岩层贯通所形成的似层状矿化体构成的复合体.这种复合体即使在高精度矿产勘查过程中也不能保证取得相对准确的数据.因此,准确识别矿化体性质十分重要.

无限冰介质中爆炸裂纹扩展机理与数值模拟

根据冰体力学性能,提出了无限淡水冰介质在爆炸冲击载荷下的压碎区及裂隙区的理论计算方法。利用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA模拟了爆炸载荷下无限区域冰体内裂纹扩展过程,模拟结果与实验结果基本一致,表明采用的损伤断裂模型能够较准确的反映无限冰介质动态力学性能及裂纹成形过程。数值模型可近似计算冰体中裂隙区的半径。数值计算值与理论计算值误差不超过5%,数值模拟结果与实验结果吻合,从而确定了无限区域冰体在-15℃时的基本破坏特征及范围。

随机非均质热弹性力学模型与岩石热破裂门槛值的数值试验研究

考虑岩石细观组构的不同,建立了随机非均匀介质的热弹性力学模型,给出了一般意义下的有限元分析方法。进而,仅考虑热膨胀系数为随机变量,在平面应力模型下,进行了岩石热破裂的数值试验,以花岗岩为样本,对均匀分布、正态分布、韦泊分布3种随机分布下热膨胀系数变化引起的岩石破裂门槛值的变化做了详细研究。结果表明,热膨胀系数的概率分布形式对花岗石热破裂规律及门槛值温度有重要影响。

高温下岩石力学性质的数值试验研究

考虑岩石细观组构的不同,采用随机非均匀介质热弹性力学模型和有限元分析方法。进而,仅考虑热膨胀系数为随机介质,在平面应变模型下,并进行了岩石热破裂的数值试验,以花岗岩为样本,对均匀分布、正态分布、韦泊分布等三种随机分布下弹性模量和泊松比引起的岩石破裂门槛温度值的变化作了详细研究,揭示了弹性模量和泊松比对岩石热破裂门槛温度值TC的变化规律。

沪通长江大桥主航道桥桥塔温度场与膨胀调控抗裂技术

沪通长江大桥主航道桥为主跨1092 m的双塔钢桁梁斜拉桥,桥塔高330 m,塔身采用C60混凝土,单塔混凝土方量超过6万方(不含塔座)。为降低桥塔混凝土开裂风险,采用等温量热和变温变形试验确定水泥水化调控材料掺量以及复合膨胀材料配比,通过缩尺模型试验研究混凝土抗裂性能,基于此制备抗裂混凝土并应用于29号墩桥塔施工中。结果表明:0.2%掺量的水化调控材料可降低水泥水化放热速率峰值约50%;掺入配比为50%CaO+50%MgO的膨胀材料可增加混凝土温升阶段膨胀变形约1倍,减小温降阶段收缩变形约30%;与普通混凝土相比,抗裂混凝土模型中心温度峰值降低了6.4℃,膨胀变形增大了1倍以上,收缩变形减小100με;29号墩桥塔采用抗裂混凝土施工,显著降低了实体结构收缩拉应力与开裂风险。

高寒区膨胀土渠道边坡性能演变规律

位于我国西北地区高寒区的供水渠道大多数面对极端寒冷、异常干旱、复杂地质环境等恶劣自然条件,为了防止冻胀往往冬季不供水,渠道每年经历湿干−冻融循环过程。为了研究膨胀土渠道在反复湿干−冻融循环过程中的劣化机理,分别从湿干−冻融循环下膨胀土的裂隙损伤、强度衰减及渠道劣化演变3个方面阐述高寒区膨胀土渠道边坡破坏情况,具体包括:揭示湿干−冻融循环下膨胀土的裂隙空间演化规律,提出基于三维裂隙分布特征的膨胀土裂隙网络结构评价方法及相应的细观结构劣化模型;阐明湿干−冻融循环作用对膨胀土有效抗剪强度指标的影响规律,建立湿干−冻融循环下的渠基土强度衰减方程;研发能够模拟冻融及湿干−冻融循环过程的超重力场大型模拟试验平台,揭示高寒区膨胀土渠道在湿干−冻融反复循环下的长期性能演变规律。该研究成果可为我国高寒区膨胀土渠道工程的设计及长期安全运行提供参考。

饱和粘土中挤土桩球形孔扩张的弹塑性分析

将桩体的贯入模拟为球形孔扩张过程,基于球形孔扩张理论,在大变形假定情况下,结合修正剑桥模型及水力压裂理论,由最小耗能原理从能量的角度推导出了饱和粘土中挤土按球形孔扩张后,土体整个范围内,包括弹性区、塑性区、破坏区内的应力、位移及超孔隙水压力分布的解析解,并分析了土的超固结比对结果的影响,和其他文献的比较结果证明了理论解析解的准确性。其结论可为饱和土地区的静压桩、打桩等岩土工程问题提供理论依据。

静态膨胀剂在突出煤体中致裂效果的实验分析

针对静态膨胀生裂技术问题,通过参考文献的实测数据和理论推导,得出静态膨胀剂可以膨胀裂开我国突出煤层。建立实验模型测试静态膨胀剂在突出煤体中的致裂效果。此次实验测试中,水泥槽实验模型突出煤体发生了裂隙发育、裂隙传播和裂隙扩展贯通3个明显变化过程。

堆石微裂缝扩展规律及其影响因素

根据岩石亚临界裂缝扩展理论,筑坝堆石料中微裂缝的扩展导致了堆石颗粒的破碎。借鉴Oldecop和Alonso等提出的关于堆石料长期变形特性微观机理,分析了堆石裂缝的扩展规律,探讨裂缝面上的应力、颗粒及所含裂缝的几何特征、相对湿度等因素对应力强度因子、裂缝扩展规律的影响。研究表明:初始裂缝长度与颗粒半径之比α和裂缝面上应力σ*i是影响裂缝扩展的主要因素,初始裂缝越长、裂缝面上应力越大,裂缝扩展至颗粒破碎的时间越短;较大的相对湿度环境可加速裂缝扩展的进程,但影响有限;α和σ*i在一定变化范围内,从加载到裂缝扩展至颗粒破碎的时间可以从1 min到上百年,说明堆石的颗粒破碎是不断发生的动态过程。

钢筋锈胀对混凝土构件保护层开裂影响的分析

研究目的:钢筋锈蚀产生的体积膨胀迫使混凝土保护层开裂,“加速”钢筋锈蚀锈胀,裂缝逐渐扩展、贯通直至结构失效的问题是土木工程长期关注的热点。现有混凝土细观研究鲜有考虑骨料级配、粒径等骨料参数因素和不同锈蚀方式下的多因素对比分析。基于此,本文通过设置不同钢筋锈胀过盈量表征均匀锈蚀和非均匀锈蚀,并结合CDP模型提取保护层表面产生裂缝时钢筋锈蚀率,研究骨料参数、保护层厚度、界面层强度对混凝土均匀和非均匀锈胀开裂时锈蚀率的影响。研究结论:(1)随骨料级配、粒径增大或骨料含量降低,结构的耐久性也相应提高;(2)保护层厚度增大、界面层强度提高可减小试件中微裂缝数量和主裂缝长度,同时延缓保护层表面的开裂;(3)本研究结果可为钢筋混凝土结构设计提供有益参考。

基于Neumann展开的Monte-Carlo随机扩展有限元法

基于Neumann级数展开的Monte-Carlo随机有限元在涉及几何构形存在随机性的问题时,需要对网格进行重新划分,需要极大的计算量。为解决该问题,提高运算效率,提出一种新的计算裂纹问题的随机方法。该方法结合了扩展有限元法与随机有限元法的优点,通过对扩展有限元控制方程进行Neumann展开,可方便地处理几何构形的随机性,不需重新划分网格。该方法具有计算量小,计算效率高的优点,并能保持较高的计算精度。利用矩阵级数理论讨论了该方法的收敛性。最后通过数值算例验证了该方法的有效性。

静态膨胀剂开裂煤与瓦斯突出煤层的试验研究

为明确静态膨胀剂能否开裂煤矿采掘工作面突出煤层问题,建立水泥槽试验模型,根据水泥槽内被压实的突出煤层的膨胀孔、控制孔、孔间距、排距等参数,设置Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ等共3种试验方案,分析静态膨胀剂作用下各方案突出煤样膨胀开裂效果及影响因素。结果表明:水泥槽试验模型中突出煤样的两次膨胀均经历裂隙发育显著增加、裂隙传播和裂隙扩展贯通3个明显变化过程,钻孔间形成大量径向交叉裂隙网;钻孔直径、自由面、钻孔布置均影响静态膨胀剂对煤样的开裂效果;同一钻孔孔径试验验方案中,方案Ⅲ的开裂效果最好;随着控制孔数增加而其他参数不变时,第一次膨胀发育产生的裂隙长度随控制孔的增加而减小。

基于损伤塑性本构模型的混凝土拉伸裂纹扩展数值模拟

基于ABAQUS损伤塑性本构模型,采用粘塑性归一化方法和控制位移增量法,对三维混凝土模型在竖向拉伸应变分别为7×10-5、8×10-5和10-4三种情况下的损伤与断裂过程进行数值模拟。结果表明,基于ABAQUS的损伤塑性本构模型能较好地模拟混凝土试件在不同拉伸应变下裂纹萌生、扩展到宏观裂纹形成的破坏过程,且与物理试验结果基本吻合。

齿轮表层疲劳裂纹扩展的声发射模型

齿轮表面的疲劳磨损是齿轮故障的主要形式之一。从弹性力学的能量理论角度,推导出了齿轮齿表疲劳裂纹在扩展时的能量关系,并根据声发射信号的特征,构造出齿表疲劳裂纹在扩展时产生的声发射信号的理论模型,说明了影响声发射信号能量强度的主要因素为裂纹扩展时间、形变体积及载荷和弹性模量的变化率,从理论上证明了声发射技术用于检测疲劳磨损的可行性。