不同冲击气压下煤样动态剪切强度的长径比效应

采用Φ50mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,开展了不同冲击气压下直径75mm,长径比分别为0.20,0.27,0.33,0.40和0.47的5组煤样的动态剪切试验,划分了煤动态剪应力时程曲线的阶段,探讨了冲击气压对煤样动态剪切强度的影响,分析了煤样动态剪切强度和加载率的长径比效应,并建立了长径比效应理论模型。研究结果表明:①煤样动态剪应力时程曲线可分为应力初始上升、应力线性增长、应力缓慢上升和应力下降4个阶段;②煤样动态剪切强度与冲击气压呈正线性相关,但不同长径比下增加幅度存在差异,具体表现为:相同冲击气压增量下,煤样长径比越小,动态剪切强度的增加幅度越大;③煤样动态剪切强度和加载率均与长径比有关,在0.25,0.35 MPa较低冲击气压与0.45,0.55 MPa较高冲击气压下分别呈现出正、负长径比效应,并通过方差分析确定了长径比对其影响最小的冲击气压为0.376MPa;④建立了不同冲击气压下煤样动态剪切强度长径比效应理论模型,通过加载率效应推导出加载率长径比效应理论模型,并验证了模型的合理性和准确性。

基于CSSA-BPNN模型的胶结充填体动态抗压强度预测

充填采矿法二步骤回采时胶结充填体稳定性受爆破扰动而降低。为快速准确地获得充填体动态抗压强度,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)进行了40组不同应变率的单轴冲击实验,以灰砂比、充填体密度、养护龄期和平均应变率作为输入参数,充填体动态抗压强度作为输出参数,建立了一种基于Logistic混沌麻雀搜索算法(CSSA)优化BP神经网络(BPNN)的预测模型,并与传统BPNN和麻雀搜索算法优化的BPNN进行了对比分析。结果表明:CSSA-BPNN模型的平均相对误差为4.11%,预测值与实测值之间拟合的相关系数均在0.96以上,模型预测精度高。CSSA-BPNN模型的均方根误差为0.395 0 MPa,平均绝对误差为0.359 2 MPa,决定系数为0.995 2,均优于另外两种预测模型。实现了对充填体动态抗压强度的准确预测,可大幅减小物理实验量,为矿山胶结充填体的强度设计提供了一种新方法。

岩石-钢纤维混凝土复合层动态抗压强度计算模型

为了研究冲击荷载下岩石-钢纤维混凝土(R-SFRC)复合层的抗压强度模型,利用分离式霍普金森压杆对花岗岩、混凝土和R-SFRC复合层进行动态冲击压缩试验,并通过回归试验结果得到R-SFRC复合层的对数型、幂函数型和强度-应变率依赖机制型3种强度模型,同时考虑R-SFRC复合层界面相互作用,基于Mohr-Coulomb强度准则建立复合层动态抗压强度计算模型。结果表明,R-SFRC复合层动态抗压强度随应变率及钢纤维掺量增大而增大;3种回归模型拟合复合层动态抗压强度试验结果的相关系数范围为0.918~0.999,其中依赖机制型模型与试验结果的相关性最大;基于Mohr-Coulomb强度准则的3种模型得到的复合层抗压强度计算值相对试验值的误差范围为-9.23%~3.16%,对数型模型的误差最大值较小。R-SFRC复合层动态抗压强度计算模型可为混凝土支护隧道围岩设计提供理论基础。

饱和含盐冻土冲击能量分析及动态强度理论

本文利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置探究冲击加载下含盐量和应变率对饱和含盐冻土动态强度的影响。试验结果表明,当含盐量介于0%~2%时,土体的动态强度大约随含盐量每增加1%而减小1.5 MPa;随应变率每升高250 s^(-1)而增大2.0 MPa。从能量角度分析,土体冲击过程中的吸收能密度大约随含盐量每增加1%而减小0.1 J/cm^(3);随应变率每升高250 s^(-1)而增大0.2 J/cm^(3)。基于能量平衡和断裂理论,推导了饱和含盐冻土压缩膨胀拉伸破坏模型的动态强度理论计算式,计算结果与试验结果误差不超过10%,且能预测动态强度随含盐量和应变率的变化趋势,表明该理论可以揭示饱和含盐冻土的动态破坏机理,为工程实践提供理论基础和借鉴意义。

高性能碳纳米管纤维:动态强度高达14 GPa

现代工业和国防领域,特别是在承受高速冲击和高应变率环境中,对高性能纤维材料的需求日益增长。碳纳米管(CNTs)因其超高强度和优异的力学性能而被视为构建高性能纤维的理想材料之一。然而,将CNTs加工成纤维时,其机械性能往往难以达到单个CNT的内在强度。针对这一挑战,来自北京石墨烯研究院、武汉大学、中国科学技术大学等多家单位的研究团队制备了一种新型碳纳米管纤维(CNTFs),其动态强度高达14 GPa,为高性能纤维材料的应用开辟了新的可能性,相关成果于2024年6月20日发表在《科学(Science)》杂志上。

MRI动态对比增强时间-信号强度曲线与弥散加权成像表观弥散系数检查对乳腺良恶性病变的鉴别诊断价值

目的 探讨MRI动态对比增强时间-信号强度曲线(DCE-TIC)与弥散加权成像表观弥散系数(DWIADC)检查对乳腺良恶性病变的鉴别诊断价值。方法 106例乳腺占位性病变患者均行DCE-TIC、DWI-ADC检查,根据检查结果分为乳腺良性病变和乳腺癌患者,比较乳腺良性病变和乳腺癌患者的ADC值、rADC、TIC分型。以病理检查结果为金标准,分析DCE-TIC、DWI-ADC单独及联合检查对乳腺癌的诊断价值。结果 病理检查结果显示,106例乳腺占位性病变患者中,乳腺癌87例,乳腺良性病变19例。乳腺良性病变患者ADC值、rADC均明显高于乳腺癌患者,差异均有统计学意义(P﹤0.01)。乳腺良性病变TIC分型Ⅰ型患者比例明显高于乳腺癌,TIC分型Ⅲ型患者比例明显低于乳腺癌,差异均有统计学意义(P﹤0.01)。乳腺良性病变与乳腺癌TIC分型Ⅱ型患者比例比较,差异无统计学意义(P﹥0.05)。DCE-TIC、DWI-ADC联合检查诊断乳腺癌的灵敏度、特异度、准确度、阳性预测值、阴性预测值均高于二者单独检查。结论 DCE-TIC、DWI-ADC联合检查诊断乳腺癌的灵敏度、特异度、准确度、阳性预测值、阴性预测值均高于二者单独检查,诊断效能良好。

基于动态强度折减-改进矢量和法的边坡稳定性分析

在边坡稳定性分析中,极限平衡法与矢量和法均假定边坡失稳是由剪切破坏造成的,因此难以正确求解坡体上部存在拉裂区这类复杂边坡的安全系数,应用整体强度折减法虽能求得前述复杂边坡的安全系数,却难以搜索得到包含坡体上部拉裂区的完整滑动面。针对上述问题,采用动态强度折减法来搜索边坡滑动面,并提出了可兼顾边坡张拉破坏与剪切破坏的改进矢量和法,从而可更好地求解边坡稳定性问题。算例表明,应用所提出的方法不仅能搜索得到完整的边坡滑动面,而且求得的安全系数与整体强度折减法基本相同。所提出的方法适用于土质、岩质以及土岩组合等各类型边坡的稳定性分析,且受主滑方向、网格尺寸、模型尺寸的影响较小,有助于推动边坡稳定性分析方法的进一步完善。

混凝土动态双轴压缩强度准则细观研究

由于物理试验设备和条件限制,目前对混凝土动态双轴压缩强度准则的研究仅停留在低应变率范围(10^(−5) s^(−1)~10^(−2) s^(−1))。针对这些强度准则在更高应变率范围内是否适用,该研究建立了细观随机骨料模型,对边长100 mm的混凝土立方体试块开展了动态双轴压缩细观模拟分析。研究了应变率和侧应力比对混凝土动态双轴压缩破坏模式及压缩强度的影响,建立了适用于更高应变率的动态强度准则。研究结论:相同侧应力比下,随应变率增大,混凝土内部损伤区域增多,动态压缩强度增大;相同应变率下,随侧应力增大,混凝土破坏模式由柱状压裂变为片状劈裂,动态压缩强度先增大后减小。现有的混凝土动态双轴压缩强度准则在应变率为10^(−5) s^(−1)~1 s^(−1)时很难适用,而该研究建议的强度准则适用于更高的应变率范围,并且得到了不同物理试验的初步验证。

Ti-Zr-Nb固溶体合金动态压缩强度的机器学习模型优化

Ti-Zr-Nb固溶体合金具有优异的强塑性匹配和撞击释能活性,在杀爆战斗部毁伤元和聚能战斗部药型罩材料领域极具应用价值.为了实现Ti-Zr-Nb合金及类似固溶体合金的动态力学性能精准预测,并支撑战斗部材料的精准设计与成分优化,采用粉末冶金法制备了56种Ti-Zr-Nb合金,并测试了材料的动态压缩强度,在此基础上开展了Ti-Zr-Nb合金动态压缩强度预测的机器学习模型优化、主控参量筛选研究,优化后的模型实现了合金动态压缩强度的预测误差<8%,并揭示了影响合金动态压缩强度的3个关键主控参量及权重排序:Δχ>G>δG.采用优化后的模型成功设计了具有更高动态压缩强度的合金成分,经试验验证,所设计的材料动态压缩强度达到3100 MPa,高于同类固溶体合金.

不同加载速率下冻融砂岩的动态劈裂特性

为研究加载速率和冻融循环对砂岩动态劈裂特性的影响,对冻融0,25,50,75,100次的砂岩进行了静态和不同加载速率的动态劈裂试验,分析了冻融砂岩的静动态抗拉强度及冲击荷载作用下耗散能变化规律.研究结果表明:冻融砂岩的静动态抗拉强度、纵波波速、质量损失率均随冻融次数增加而劣化.随冻融次数、加载速率增加,动强度增加因子(DIF)不断增大,且砂岩冻融损伤越大,DIF随加载速率增加越明显.建立的基于冻融损伤和加载速率的动态抗拉强度预测模型可以很好地反映砂岩的强度变化.砂岩的冻融损伤越大,动态抗拉强度随加载速率的变化速率越快;冲击荷载作用下的耗散能随冻融次数增加而减小,随加载速率增加而增大.

两种纤维加筋模拟月壤地聚合物动态劈裂试验研究

为了解纤维加筋模拟月壤的动态劈裂力学特性,选用聚丙烯纤维和玄武岩纤维制备了纤维加筋模拟月壤地聚合物圆盘试件,利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)装置开展了冲击劈裂试验,并使用扫描电子显微镜观察地聚合物断裂面处纤维的分布排列情况。试验结果表明:当聚丙烯纤维掺量为0.4%时试件的劈裂拉伸强度达到最大,较未掺时提高22.9%~27.3%;相同纤维掺量下,聚丙烯纤维对试件劈裂拉伸强度的增益效果要优于玄武岩纤维;纤维掺量一定时,试件动态劈裂拉伸强度与冲击气压呈正相关,纤维对劈裂拉伸强度的增益效果与冲击气压呈负相关;试件在冲击荷载作用下沿轴向劈裂为相对完整的两半,纤维的掺入减小了试件的破坏程度,改善了脆性破坏;试件的劈裂破碎块度平均粒径随纤维掺量的增加而增大。研究结果为未来月球基地建造材料的选择提供参考。

Ti6321合金TIG焊接接头组织与动态力学性能研究

采用钨极氩弧焊(TIG)焊接双态组织的Ti6321合金,对未焊接母材、近热影响区母材、热影响区和焊缝区进行显微硬度及静动态力学性能测试,并对焊接接头动态压缩前后的组织结构进行观察。结果表明:Ti6321合金经TIG焊接后,热影响区组织为等轴初生α相与β相+针状马氏体α'相构成的近双态组织;焊缝区为大块α相与针状马氏体α'相构成的网篮组织,且晶粒较为粗大。在显微硬度与静动态抗压强度方面,焊接接头热影响区最高,母材与近热影响区母材次之,焊缝区最低。母材、近热影响区母材和热影响区冲击吸收功相近,焊缝区低于前三者。热影响区因形成致密细小的针状马氏体α'相,其硬度与动态抗压强度较高,变形协调能力弱,塑性较低。焊缝区粗大的晶粒使动态塑性与动态强度都较低。在2100~2900 s^(-1)动态压缩应变率范围内,母材、热影响区与焊缝区随着应变率增大,发生了明显的塑性变形。母材与热影响区中的等轴α相由压缩前分布均匀的椭球状转变为方向不一的长条状,转变程度随着应变率的增大而增大。

层面位置对煤岩组合体动态破坏特性影响规律研究

【目的】层面位置对煤岩组合体动态破坏过程及力学特性具有重要影响作用,但影响规律尚不清晰。【方法】通过对含有3种层面位置的煤岩组合体(层面分别位于岩石部分上位、中位和下位)开展霍普金森冲击(split Hopkinson pressure bar,SHPB)实验,分析了冲击载荷条件下煤岩组合体动态应力-应变、破坏过程、能量结构、碎块特征的演变规律。【结果和结论】结果表明:(1)煤岩组合体动态应力-应变过程可以分为近似线性阶段、非线性的动态应力-应变阶段、弹性模量降低阶段、宏观破裂阶段、应力波卸载阶段5个阶段。(2)随着层面由上向下布置,岩石部分的破坏程度逐渐增强,破坏过程逐渐剧烈,破坏后的碎块的均匀程度降低,而煤体部分的破坏程度则逐步降低,破碎后的块度逐渐增加。(3)层面的存在会降低煤岩组合体动态抗压强度,与无层面煤岩组合体(平均强度为79.487 MPa)相比,当层面位于上方时,组合体动态抗压强度(平均强度为73.724 MPa)降低7.25%;当层面位于中位时,组合体动态抗压强度(平均强度为61.798 MPa)降低22.26%;当层面位于下位时,组合体的动态抗压强度(平均强度为64.991 MPa)降低18.24%。(4)随着层面位置由上向下布置,能量结构发生变化,反射能占比降低,吸收能占比增加,透射能占比减小。本研究可以为超长孔水力压裂技术或地面压裂技术在大范围处理坚硬顶板工程开展过程中压裂位置的选择提供一定指导。

冲击载荷下张拉预应力红砂岩的动态张拉强度弱化效应

深部围岩的张拉破坏是一种常见的破坏模式,这与深部围岩处于高应力和冲击荷载的组合受力状态密切相关。本研究中,使用分离式霍普金森压杆(SHPB)设备对不同张拉预应力水平下的红砂岩巴西圆盘试样进行不同加载速率下动态张拉试验。基于试验的准静态峰值拉伸应力,确定了试验的张拉预应力水平分别为0,0.48,1.44,2.39,3.45和4.30 MPa,以及400~1200 GPa/s范围内的冲击荷载的加载速率。试验结果表明,动态张拉强度与加载速率呈显著的线性正相关关系,且随着加载速率的增加而逐渐增加,表现出明显的率效应。在相同加载速率下,动态张拉强度随着张拉预应力水平的增加而显著降低,表现出明显的动态张拉强度弱化效应。此外,总结了动态张拉度弱化效应机理,其中张拉预应力水平决定了动态张拉强度弱化水平,而冲击载荷则促进了强度弱化效应的显现。

钢-PE混杂纤维水泥基复合材料动态压缩性能试验研究

将钢纤维和PE纤维混杂掺入水泥基基体材料中,控制纤维体积总掺量为2%,通过改变两种纤维比例,制成E2、E1.5S0.5、E1S1、E0.5S1.5和S2试件,应用分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB)装置,开展了钢-PE混杂纤维水泥基复合材料在高应变率(30~120 s^(-1))条件下的动态压缩试验,从试件破坏形态、材料的动态抗压强度、韧性及其应变率效应等方面进行了分析研究。试验结果表明:①钢-PE混杂纤维水泥基复合材料表现出明显的应变率效应,其动态抗压强度、韧性以及动态抗压强度增长因子(Dynamic Increase Factor of Compressive Strength, DIF)随着应变率的增加而提高。应变率为60-80 s^(-1)时,PE纤维增韧效果更好;而应变率为100s^(-1)时,钢纤维增韧效果更优。②随着PE纤维掺量的增加,材料应力-应变曲线的应变硬化现象更明显。而钢纤维掺量达到1.5%以上且继续增大时,材料的动态抗压强度和韧性得到提高,表明一定掺量的钢纤维可以提高材料动态抗压强度的应变率敏感性。③两种纤维混杂的试件其动态压缩力学性能要优于单掺PE或钢纤维的试件,综合动态抗压强度、韧性以及DIF,得出抵抗冲击压缩荷载的最优纤维配比是0.5%的PE纤维+1.5%的钢纤维。

静动组合加载下钢-PE混杂纤维水泥基复合材料动态压缩性能试验研究

本文将钢纤维和聚乙烯(PE)纤维进行混杂,制备了钢-PE混杂纤维水泥基复合材料(S/PE-HFRECC, Steel-PE Hybrid Fiber Reinforced Engineered Cementitious Composites),控制纤维体积总掺量为2%,通过改变两种纤维配比制作了六类水泥基试件(S0E0、S0E2、S0.5E1.5、S1E1、S1.5E0.5和S2E0),并利用可施加预加静态荷载的直径为50 mm的分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB)装置开展了静动组合加载条件下S/PE-HFRECC的动态压缩试验,预加静荷载级别分别取试件静态抗压强度的0%、15%、30%和45%四个级别。试验结果表明:1) 预加静态荷载对水泥基复合材料的力学性能有着弱化和强化的双面性。2) S/PE-HFRECC的动态抗压强度、动态峰值应变和应力峰值前韧度随着预加静荷载级别的提高呈现先升高后降低的趋势。3) 相较于单一纤维的掺入,钢-PE混杂纤维在对强度、变形能力和韧度的改善方面有着更好的优越性。

基于综合强度比动态变化的拼焊板冲压成型性研究

基于拼焊板胀形过程中母板的应变路径变化,研究了母板之间强度比的动态变化关系,提出了综合强度比和动态强度比的概念。利用拼焊板胀形的数据模拟分析了综合强度比及动态强度比对拼焊板冲压成型性的影响,指出控制拼焊板母板之间焊缝两侧的动态强度比基本一致可获得最大的成型能力。

边坡渐进破坏的动态强度折减法研究

边破的变形破坏是量变积累到质变的渐进发生过程,由坡体内部潜在滑动面的逐渐破损并扩展至整体滑面。基于强度折减法思想,提出模拟边坡渐进破坏的动态强度折减法。该方法利用屈服接近度指标YAI确定边坡的破损区域,将YAI<0.2的区域定为破损区,通过不断动态折减局部破损坡体的强度参数,使边坡潜在滑动面渐进演化至贯通,边坡达到极限平衡状态。算例计算表明,该方法可有效解决强度折减法中折减范围的问题,克服整体强度折减法破损区过大的缺陷,获得的位移变化趋势与破损区演化过程也具有良好的一致性。动态强度折减法真实再现了边坡渐进失稳过程,为强度折减法更有效地应用于边坡稳定性定量评价提供有效途径。

岩石动态强度及其应变率灵敏性的尺寸效应研究

采用波长与岩石试件长度成比例的半正弦应力波加载方式,对长径比为0.5、直径分别为22,36,75 mm的花岗岩、砂岩和石灰岩试件进行不同应变率条件下的SHPB试验。试验结果表明:岩石动态强度随着应变率的增高近似以乘幂关系增大,呈现较强的率依赖性;试件尺寸越大,岩石动态强度对应变率依赖的灵敏性越显著,所测得的岩石动态强度离散性越小;在相同的应变率加载条件下,岩石动态强度随试件尺寸的增大而增加,与静载条件下岩石强度的尺寸效应相反;岩石动态强度的尺寸效应随着应变率的降低而减弱,并由此推断存在一个临界应变率对应着岩石尺寸效应的消失。低于临界应变率时,静载的尺寸效应占主导地位;高于临界应变率时,动态的尺寸效应占主导地位。

饱水砂岩动态强度的SHPB试验研究

采用改进的φ75mm杆径SHPB试验装置,对长径比为0.5的开阳磷矿砂岩进行自然风干和饱水状态下的冲击压缩试验,对比INSTRON材料试验机的静载试验结果表明:冲击载荷作用下饱水砂岩的应力–应变关系不同于其静态应力–应变关系,中应变率加载条件下饱水砂岩动态强度与风干砂岩的动态强度相近,这与静载条件下饱水砂岩强度降低的结果相反;风干砂岩动态屈服应力与其静态相近,饱水砂岩动态屈服应力比其静态下的结果提高近2倍,表现出比自然风干砂岩更强的应变率敏感性;水对砂岩动态破坏效果有影响,自然风干砂岩比饱水砂岩受冲击破坏更为严重;冲击载荷作用下,饱水砂岩动态强度应考虑其自由水黏度及Stefan效应的影响。