大型船舶上层建筑-主船体剪切耦合方法研究

对于大型客船、豪华邮轮等船舶,上层建筑参与总纵弯曲的程度较大,主船体与上层建筑之间的作用关系非常复杂。探究大型船舶上层建筑-主船体间的各向耦合关系对于改善大型船舶的力学性能、结构安全等具有十分重要的意义。本文基于双梁理论和耦合梁理论,重点研究上层建筑-转换层-主船体之间的纵向剪切耦合关系,提出一种适用于带有大型上建船体结构的简化耦合梁方法。通过建立耦合梁结构的控制方程,获得上建与主船体间的弯矩-曲率关系、剪切耦合关系以及耦合刚度-极限剪切位移之间的关系,从而有效表征大型上建与主船体间的相互作用。经实例分析,验证了该耦合梁方法的准确性和有效性,可以为带有大型上层建筑船舶的极限强度研究、设计优化等提供有益参考。

非饱和黏土的张拉-剪切耦合强度研究

非饱和黏土中液相与固相基质间的相互作用,依据其形成机理的不同可分为毛细作用和物理-化学作用,目前建立的非饱和土强度模型多是基于毛细机理建立的,忽略了后者对土体强度的贡献。现有非饱和土强度理论仍建立在土体受压缩剪切作用的基础上,不适用于分析土的抗拉强度和拉剪耦合强度。为了能够全面地、合理地描述非饱和黏土的强度作用机制,建立了一个适用于非饱和黏土的二元介质压剪强度模型,将非饱和黏土抽象为理想毛细部分和理想吸附由两个理想部分组成,针对两者分别建立了理想强度公式,利用参与函数反映土中两种理想部分所占的比重,描述实际情况下土体的强度特征。在压剪强度模型的基础上,通过考虑非饱和黏土中的拉剪联合作用,建立了非饱和黏土的张拉-剪切耦合强度模型,给出了张拉-剪切耦合强度公式。利用强度模型对非饱和黏土的压剪强度及张拉-剪切耦合强度进行预测,预测结果和已有试验数据的对比结果表明所建模型能够较好地描述非饱和黏土的强度特征。

黏土的张拉-剪切耦合强度研究

现有的土体强度研究主要集中在土体受到压缩剪切作用,而针对单轴拉伸、拉剪耦合或多向拉伸作用的研究较少。当前土的联合强度理论仍建立在土体受压缩剪切作用的基础上,不适用于分析土的抗拉强度和拉剪耦合强度。针对饱和黏土中的拉剪联合作用,建立了饱和黏土的张拉-剪切耦合强度模型,给出了饱和黏土张拉-剪切耦合强度公式以及多向拉伸作用下的强度公式;基于已有的饱和黏土试验数据以及所做的饱和黏土室内试验数据对所建立的强度模型预测能力进行了验证,并与其他联合强度模型进行对比分析,检验了强度模型的适用性和准确性;强度模型全面、合理地描述了饱和黏土的压剪强度、张拉-剪切耦合强度及多向拉伸强度特征,为饱和黏土张拉-剪切耦合问题的解决奠定了理论基础。

拉伸-剪切耦合层合板优化设计及其应用

针对标准铺层拉伸-剪切耦合层合板耦合效应弱的缺点,提出利用优化法的自由铺层拉伸-剪切耦合层合板的设计方法。推导了只具有拉伸-剪切耦合效应的层合板应满足的条件。优化得到了7-14层的自由铺层拉伸-剪切耦合对称层合板。对比分析了自由与标准铺层拉伸-剪切耦合层合板的屈曲强度与稳定性。采用自由铺层拉伸-剪切耦合层合板设计了拉伸-扭转耦合结构。研究表明：自由铺层的拉伸-剪切耦合层合板的屈曲强度以及稳定性要显著弱于标准铺层层合板,但具有更强的耦合效应;随着层数的增加,自由铺层的拉伸-剪切耦合层合板的最大耦合效应逐渐减小。

α-Fe中剪切耦合晶界迁移与裂纹相互作用的原子模拟

采用分子动力学模拟方法,研究了α-Fe中Σ9[110](221)对称倾转晶界模型的剪切耦合迁移运动与晶内微裂纹的相互作用,讨论了在恒定剪切速率10 m·s^-1条件下,温度和合金原子Cr对两者相互作用的影响。模拟结果表明:在低温条件下,裂纹会在晶界耦合运动的作用下完全愈合,晶界则在裂纹的钉扎作用下发生弯曲。裂纹在晶界上的不对称固定在裂纹愈合的过程中起到重要作用,晶界的形态和结构均在吸收裂纹的过程发生变化,厚度也显著增大。裂纹的愈合过程伴随有位错的发射和运动,通过位错从裂纹尖端发射并运动至自由表面,可使裂纹不断变小乃至完全愈合。在发生剪切耦合晶界迁移的条件下,升温和添加Cr原子对裂纹愈合的影响有相似之处,两者都具有使裂纹愈合速率加快的作用。

纳米纯铜与铜铝合金中Σ13(320)晶界的剪切耦合行为研究

含Σ13(320)对称倾转晶界的纯铜双晶在剪切力作用下被证明能够发生垂直于晶界的剪切耦合运动,另一方面杂质的存在也会显著影响金属材料的力学性能。以铝杂质为例,本文系统地探索杂质对含有此晶界的铜晶体在不同温度下受剪切作用时的晶界运动行为。通过计算并比较不同温度及不同铝杂质浓度情况下剪切耦合因子β,本文发现晶界在较高温度及较低铝浓度时晶界的剪切耦合效应较为明显。

含瓦斯煤岩构造界面剪切-渗流耦合试验方法及教学设计实践

富含瓦斯的煤系断层/裂缝等地质构造界面结构在自然界煤岩体中广泛存在,含瓦斯煤岩构造界面剪切渗流耦合作用机制与煤系构造区域瓦斯动力灾害密切相关。基于此,该文介绍了含瓦斯煤岩构造界面剪切渗流耦合系统试验方法,重点分析了煤岩试样滑动界面的剪切力学特征,以及界面物理结构特征演化和高度表征方法。结果表明:煤岩界面剪切力学响应由煤层构造界面凸体承担,界面凸体强度越高峰值剪切强度越大,同时黏滑应力降增大但相应黏滑事件频率降低;其他条件一定时,增大法向应力使得煤岩构造界面剪切强度增大,能够积累更多的应变能,在剪切过程内黏滑次数更少,但是在达到阈值破裂失稳时会产生更大的应力降,释放更多能量。该研究成果可对探究含瓦斯煤岩界面剪切力学特性以及阐明含瓦斯煤岩构造界面动力失稳诱发灾害提供理论指导;同时该文将科研成果反哺教学,基于“试验系统—试验方法—结果分析—物理表征”相结合的方法,把科研理论和现场技术难题相结合,为产学研融合以及科研-教学协同提升提供相应的探索。

高应力和高渗压下饱和完整砂岩三轴剪切-渗流耦合特性试验研究

为研究高地应力和高水头压力下完整岩石的三轴剪切力学特性和渗透特性,更加真实地揭示三维压剪应力状态下重大岩石边坡在剪切-渗流耦合作用下的损伤破坏机制,采用Rock Top多场耦合试验仪,对饱和完整砂岩进行五组不同法向应力和渗压下的三轴剪切-渗流耦合试验,获得相应的三轴剪应力-应变-表观渗透率曲线和含有原岩屑的剪切单节理裂隙面,并开展单节理裂隙渗透试验。分析不同法向应力和渗压双因素耦合作用下岩石剪切破坏裂隙面的形貌特征,探究饱和砂岩的剪切强度和表观渗透率随法向应力、渗压的演变规律,探讨单裂隙砂岩的表观渗透率在剪应力逐渐减小过程中随渗压的演化特征。研究结果表明:1)剪切-渗流耦合作用下饱和砂岩表观渗透率表现出先减小后增大并逐渐趋于稳定的变化规律;2)剪切-渗流耦合下饱和砂岩剪切峰值强度和残余强度随着法向应力增大而增大,随着渗压的增大呈线性减小,并且在剪切过程中表观渗透率曲线渗流峰值滞后于剪切峰值强度;3)在剪应力缓慢降低过程中,单节理裂隙面的开度先降低后增大,其表观渗透率和渗流量呈现出先减小后增大的变化规律;4)采用Forchheimer方程拟合获得剪应力、渗压和法向应力作用下,贯穿单裂隙面的渗流量与渗压的关系式。

岩石节理剪切渗流耦合试验及分析

节理岩体内渗流的发生主要是通过断裂节理网络产生,节理面的几何特性和受力特征决定和影响着节理裂隙的渗透性质,从而极大地影响着水下隧道及地下硐室中的渗流。应用自行研制开发的试验设备(岩石节理单一剪切-渗流试验机(SMT-E-4010)),在恒定法向荷载和恒定法向刚度的边界条件下,对不同接触状态下的岩石断裂节理试件分别进行一系列节理的剪切渗流耦合试验,研究剪切过程中力学性质、水力学性质的变化情况;同时,结合立方准则对试验数据进行分析讨论。试验结果表明:节理力学性质,水力开度和透过率在剪切过程中呈现出两阶段的变化性质。

竖向-扭转双向耦合剪切仪功能分析及应用

针对北京工业大学新引进的竖向-扭转双向耦合剪切仪的功能进行了分析,该设备可完成多种固结条件及加载方式的静动力试验,适用范围广泛.试验结果表明:竖向-扭转双向耦合剪切仪能较好地分析土体在复杂应力条件下的变形与强度特性,试验结果合理可靠,具有较高的精确度.

新疆多拉纳萨依金矿床地质特征及其韧性剪切—岩浆耦合成矿作用

新疆多拉纳萨依金矿床是由钠长岩脉-韧性剪切带-后期岩浆热液叠加"三位一体"形成的中—大型金矿床。矿体呈脉状,赋存于近南北向反"S"形和北北西向韧性剪切带中,由矿化钠长岩脉(糜棱岩化钠长石花岗岩、矿化钠长石花岗岩)和矿化千枚岩组成;矿石有黄铁矿-金-蚀变岩、金-钠长石-石英脉和黄铁矿(褐铁矿)-金-石英脉等类型;成矿作用主要有钠长石花岗岩、糜棱岩化钠长岩、黄铁矿-白云母-石英和石英-方解石4个阶段;地球化学研究显示来自下地壳或上地幔的钠长石花岗岩、钠长斑岩是主要含金建造。韧性剪切作用贯穿于整个成矿作用过程,韧性剪切-岩浆耦合成矿作用是多拉纳萨依金矿床成矿的关键,不仅控制了矿区岩浆演化及其分布,而且还控制了金矿床的形成。

双向耦合剪切条件下饱和松砂的液化特性试验研究

为了模拟海床及海洋建筑物遭受波浪荷载时所引起的循环应力,进行了一系列均等固结条件下的应力控制式轴向–扭转双向耦合循环剪切试验。加载路径在σd/2-τ应力空间内为椭圆。试验在保证椭圆面积不变的情况下,分别变化竖向和扭转向的荷载分量幅值,以此来探讨双向耦合剪切试验中各个分量的变化对饱和松砂的循环强度特性的影响。试验结果表明砂土在双向耦合荷载作用下,其液化强度与加载椭圆路径的面积和两个荷载分量比值密切相关。当轴向应力与剪应力幅值的比值保持不变时,砂土液化强度随着椭圆面积的增大而降低。而在椭圆面积保持不变时,当竖向与扭转向荷载分量的比值小于某一临界值0.6～0.75时,砂土液化强度随着比值的增加而增大,当竖向与扭转向荷载分量的比值大于某一临界值0.6～0.75时,砂土的液化强度随着比值的增加而减小,在临界值0.6～0.75之间表现出最高的强度。另外,在一个周期内孔隙水压力的循环变化与轴向应力相位一致,与循环剪应力相位相差90。

饱和松砂的双向耦合剪切特性试验研究

为了模拟海床及海洋建筑物遭受波浪荷载时所引起的循环应力,进行了一系列均等固结条件下的应力控制式轴向-扭转双向耦合循环剪切试验。试验时在竖向和扭转向同时施加动应力,使加载路径在正应力偏差(σz-σθ)/2与剪应力τzθ应力空间内为椭圆。分别控制竖向和扭转向循环荷载的大小,以此来探讨双向耦合剪切试验中竖向应力与剪应力幅值的变化对饱和松砂变形特性的影响。试验结果显示,所有的竖向应变均以拉伸向为主。对于椭圆应力路径所包围的椭圆面积相同的一组试验,当竖向荷载分量与扭转向荷载分量之比小于某一临界值时,竖向应变完全表现为单拉伸方向的变形,大于临界值时则呈现出拉伸向更为显著的双向循环累积特性破坏。剪应变虽都表现为双向循环累积,但是两个荷载分量的比值不同,应力应变关系的滞回圈曲线形状不同。而椭圆面积的大小对土样的变形特性几乎没有影响。

超固结黏土单调和耦合循环的剪切特性研究

针对超固结黏土空心试样,利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,在均等固结条件下进行了单调扭剪和三轴-扭转耦合循环剪切试验。试验结果表明:不同超固结比黏土的单调扭剪强度也可由正常固结黏土的单调扭剪强度得到,得到了不同超固结比下饱和黏土的强度及模量的退化规律;随着超固结比的增大,相同破坏循环次数的动应力比和临界循环应力比均线性增大;超固结比对耦合循环剪切的孔隙水压力的发展模式影响显著。参考Yasuhara的测量方法,采用荷载停止后继续采集孔压的方法可以更好地反映黏土在耦合循环荷载下产生的真实孔压和孔压的增长情况。提出的综合应变式同时考虑了剪切变化和正向偏差变形的共同效应,适合作为主应力连续旋转的耦合循环剪切试验的破坏标准。

双向耦合剪切条件下砂土的变形特性

采用空心圆柱扭剪仪对粉细砂进行一系列偏应力幅值和大主应力角同步增大条件下的剪切排水实验,研究该双向耦合条件下饱和砂土的变形规律和非共轴特性,分析中主应力系数等因素对砂土变形特性的影响。结果表明:砂土在该椭圆应力路径条件下产生了一定的塑性变形,并表现出明显的非共轴特性;随着中主应力系数的增大,土体径向应变和体应变逐渐减小,而环向应变由压应变逐渐转变为拉应变;初始偏应力和偏应力增长幅度对土体变形也有明显的影响,随着这两者的增大,土体的剪应变明显增大,体应变也呈现出由体胀向体缩转化的趋势,非共轴角则呈现减小的趋势。

双向耦合循环剪切条件下超固结饱和海洋黏土孔压与强度特性研究

针对长江口地区的重塑饱和海洋黏土,进行了一系列均等固结条件下的应力控制式轴向-扭转双向耦合循环剪切试验,着重探讨了循环荷载分量比R与超固结比OCR对孔压与动强度特性的影响。试验结果表明,随着R的减小,波动孔压幅值逐渐降低,而残余孔压先降低后升高,R=1时残余孔压最小。在循环耦合剪切作用过程中,对应相同循环次数,随着OCR的增大,累积孔压变小,而波动孔压幅值却在增大。对应相同循环次数比N/Nf,随着OCR增大,残余孔隙水压力比ur/urmax减小。经归一化处理后ur/urmax-N/Nf关系曲线对于正常固结与超固结饱和黏土可分别用不同的表达式来表达。随着R的降低,破坏循环次数先增大后减小,R=1时最大。随着OCR的增大,饱和黏土的强度变化减小。

花岗岩单节理剪切-渗流耦合特性试验研究

在介绍JAW-1000型岩石单节理剪切-渗流耦合试验系统的结构和各项功能的基础上,应用该系统对4组花岗岩节理试件进行了常法向荷载和常法向刚度2种条件下的剪切-渗流耦合试验,分析花岗岩节理剪切过程中的剪切应力、法向位移及水力开度的变化规律。结果表明,花岗岩节理的剪切应力、法向位移及水力开度均呈现2个阶段的变化规律;随着剪切次数的增加,节理面的峰值剪切应力及残余值降低,剪胀点延迟,节理面的初始水力开度显著提高,法向位移和水力开度变化曲线逐渐趋于平缓。

断层带破碎岩体采动剪切变形与渗透性演化规律

为探索采动影响下的断层活化突水机理,开展断层破碎岩体剪切变形与渗透性演化试验研究。基于流固耦合原理设计一套破碎岩体压剪渗流试验系统,实现破碎岩体剪切变形与渗流的耦合过程,开展多因素影响下的破碎岩体剪切-渗流耦合试验,获得连续剪切过程中颗粒级配和初始孔隙率对孔隙率和渗透性参量的影响规律。结果表明,连续剪切条件下,破碎岩体的渗透率和孔隙率变化过程大致相同,可分为3个阶段:缓慢增长阶段,破碎岩石颗粒由散乱状态向有序的组织结构调整;加速增长阶段,破碎岩石颗粒剪切膨胀;增速放缓阶段,破碎岩体颗粒的剪切变形在围压的约束下达到动态平衡。试样Talbot指数越小或初始孔隙率越大,渗透率和孔隙率敏感性越强,渗透率和孔隙率越大;非Darcy流β因子的演化规律与渗透率的演化规律相反。结合数值模拟发现,剪切作用下破碎岩体剪切带内岩石颗粒的运移是剪胀现象发生的主要原因,破碎岩体剪胀过程中颗粒的力链由随机分布向特定方向转化,表现为局部孔隙和孔喉的膨胀,是孔隙率和渗透率增加的主要原因。研究成果可为深部煤矿突水灾害机理揭示与灾害防治提供参考。

金属镍内典型晶界的迁移热力学分子动力学模拟

为进一步揭示温度对晶界迁移行为的复杂影响,本研究基于分子动力学模拟探究了Ni 36.9˚ {310}001对称倾斜晶界在100~1000 K范围内的迁移热力学、迁移率和剪切耦合迁移等内容。结果表明,在100~600 K时晶界启动迁移所需临界驱动力将随温度升高而逐渐降低,但在600~1000 K时则保持稳定,因而晶界迁移的热力学行为将从热激活模式转变为无热激活。在所探究的温度范围内,晶界迁移率随温度的变化趋势与临界驱动力对应趋势并不相反或相同,因而认为较难启动迁移的晶界会具有相对较低迁移率的已有观点并不正确。该晶界沿晶界面法向迁移的同时还在晶界面内发生剪切运动,也即呈现剪切耦合迁移的特征,在100~800 K时的耦合强度最高,随后因晶界结构改变而导致耦合强度持续降低。

部分充水的贮液罐的剪切自由振动

本文在贮液罐为剪切梁型结构和理想流体的假定下,得到了考虑顶盖影响的罐体——水耦合系统的频率方程和振型函数的精确解。