基于三剪统一强度理论的多晶冰软化本构模型研究及应用

随着全球气候变暖情况不断加剧,极地冰川正在加速退缩,冰川发生大规模崩塌、滑塌的频率逐渐增加。冰川冰的主要存在形式为多晶冰,开展多晶冰本构模型研究对于分析冰川稳定性具有重要的意义。本文基于三剪统一强度理论提出了能够反映中主应力影响的屈服函数和塑性势函数,考虑黏聚力随加载过程的变化规律,构建了基于等效塑性应变的硬化函数。采用非相关联流动法则建立能够反映多晶冰力学软化特性的弹塑性本构模型,利用多晶冰常规三轴剪切试验结果对提出的本构模型进行验证,结果表明,提出的弹塑性本构模型能够很好地描述多晶冰的偏差应力-轴向应变及体应变-轴向应变行为。随后,预测了不同中主应力系数条件下的多晶冰真三轴偏差应力-轴向应变及体应变-轴向应变行为。预测结果表明:多晶冰偏差应力-轴向应变曲线均表现出明显的软化,随着中主应力影响系数的增加,残余强度和峰值强度不断增加;体应变随着轴向应变的均表现出先体缩后体胀趋势,并且随着中主应力影响系数的增加,最大体缩量和最大体胀量不断增加。推导出多晶冰弹塑性本构模型的有限差分格式,并写入到数值软件Flac^(3d)中,利用单个单元对写入的本构模型的正确性进行了验证。研究结果旨在为冰川的稳定性评价提供理论及数值模拟基础。

人造多晶冰三轴压缩强度特性试验研究

为研究冰的三轴强度特性,对人造宏观各向同性冰进行了不同温度和不同围压下的恒定加载速率三轴压缩试验,得到多晶冰三轴压缩的应力-应变曲线、抗压强度与温度之间的关系,利用莫尔-库仑强度准则分析了温度和围压对强度参数的影响.结果表明:轴向应变加载速率为1.67×10-4 s-1时,不同温度、不同围压下冰的应力-应变曲线均为应变软化型,弹性过程最大应变不大于1.6%.黏聚力随温度变化范围为1.863～1.998 MPa,试验温度范围内,相同围压下冰的抗压强度与温度之间成线性关系.温度高于-4.0℃时,围压水平对抗压强度影响较小,内摩擦角基本为零;温度为-7.0℃和-15.0℃时,内摩擦角随温度降低而增大到15.4°,抗剪强度随围压增大而增加,在围压较小时可以表示成线性关系,围压较大时出现非线性趋势.

多晶冰中的未冻水含量

把人工制作的大晶冰砸碎并筛分成>10,>7—3,>3—1和<1mm等4个粒级多晶冰,并将后三个粒级的多晶冰分成两组装入试管:一组加入0℃蒸馏水后快速冻结;第二组则不加蒸馏水,孔隙间由空气充填。用核磁共振技术测定了多晶冰中未冻水含量随温度变化曲线。结果表明,第二组多晶冰中未冻水含量随负温变化曲线的形态与土中未冻水含量变化曲线不同,随晶粒减小,曲线从线形向幂指数形过渡且温度相同时未冻水含量随晶粒减小变化不大,只是晶粒<1mm的稍大一点。粒级和温度相同条件下,第一组的未冻水含量明显比第二组大。因此,加大冻结速度可增加多晶冰中未冻水含量,增大多晶冰孔隙间的气相充填度可减少其中的未冻水含量。

多晶冰抗压强度的粒径效应

对平均粒径分别为０５ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ和６５ｍｍ的人造多晶冰在－５℃和６μｓ－１应变率下进行了单轴抗压强度试验．试验结果表明，多晶冰的极限抗压强度对粒径变化十分敏感，且与粒径平方根的倒数呈正比例关系，破坏应变随粒径的增大而呈线性减小．

人造多晶冰抗压强度实验研究

对实验室制作的平均粒径为４ｍｍ的宏观各向同性粒状多晶冰，在冰温分别为－０．５、－２、－５和－１０℃及应变率分别为４．２×１０－４、５．５×１０－５、５．５×１０－６及３．５×１０－７ｓ－１下进行了单轴抗压强度实验。结果表明，极限抗压强度与负温和应变率的对数均呈正比例关系；在较高应变率下（４．２×１０－４ｓ－１），在－５℃时，出现韧脆性转折点。

微粒对多晶冰流变行为的影响(Ⅰ):应力下的流变行为

研究了应力下微粒对多晶冰流变行为的影响.结果表明:微粒分布在晶界或同时分布在晶界和晶内都将增加多晶冰的流变速率.当微粒只分布在晶界时,含微粒浓度为1 wt.%的多晶冰有最高的最小流变速率;当微粒同时分布在晶内与晶界时,多晶冰的最小流变速率基本与微粒浓度无关.微粒提高流变速率的原因来源于提高了流变过程中的位错密度,分布在晶界和晶内的微粒可以分别通过阻碍晶界滑移,发展内应力及Frank Read位错增值机制提高流变过程中的位错密度.

多晶冰细观模拟方法及压力条件下的力学特性

针对多晶冰 ,从物体细观的角度形成三维细观数值模拟方法 ,通过计算与实验结果比较 ,证明了其可行性。在此基础上 ,对具有脆性特性即在高应变速率作用下的多晶冰进行了数值实验 ,求出了在单向受压条件下不同冰晶尺寸的微裂纹密度与应力、应变之间的关系。

微粒对多晶冰流变行为的影响(Ⅱ):显微组织演变

通过光学显微镜及单轴压缩的方法,研究了不同应力和温度下微粒对多晶冰流变过程中显微组织演变的影响.研究表明:不论高温还是低温,或者高应力还是低应力,含微粒的多晶冰总是有较高的流变速率.在-10℃及1.45 MPa的应力下,两种冰在流变过程中的动态再结晶通过新生晶粒沿晶界的形核及长大完成.由于微粒在流变过程中通过阻碍晶界滑移而发展高的内应力,含微粒的多晶冰有较高的动态再结晶速率,其晶粒尺寸远小于不含微粒的多晶冰的晶粒尺寸.在-5℃、-10℃及0.4 MPa的应力下,由于微粒在流变过程中同样通过阻碍晶界滑移而发展较高的内应力,含微粒的多晶冰在流变过程中的动态再结晶仍然通过新生晶粒沿晶界的形核及长大完成.而对于不含微粒的多晶冰,由于流变应力较低,晶界应变能不足以诱发新生晶粒的形核,因此动态再结晶通过应变诱发的晶界迁移完成,其结果是晶粒的尺寸保持不变.

－1℃下多晶冰在振动荷载下的蠕变

应用人造多晶冰开展了正弦振动荷载和恒荷载压缩蠕变实验。振动应力的最大值为０．５０ＭＰａ，最小值为０．３４ＭＰａ，对时间的平均值为０．４２ＭＰａ，实验频率在１０￣（－２）—５Ｈｚ范围内变动。恒荷载实验的初始应力为０．４２ＭＰａ，实验温度一律为－１℃。当应变很小时（低于～０．１４％）样品在一个振动周期内发生的可恢复应变随应变的增加而增加。一个振动周期内可恢复应变的量级为１０￣（－４）。振动荷载下样品最小平均应变率为恒荷载实验结果的１．４倍。为获得最小平均应变率所需的应变与恒荷载实验所得结果相同。

考虑多晶冰软化特性的弹塑性损伤本构模型开发及应用

随着全球气候逐渐变暖,冰川、大型冰盖或较厚的冰层发生大规模滑动、崩塌灾害的可能性和危险性不断增加,研究多晶冰的变形特性并建立其本构模型对极地灾害预报具有重要的意义。基于已有的人造多晶冰常规三轴压缩试验数据,发现人造多晶冰具有明显的应变软化特征,构建以等效塑性应变为变量的损伤变量,以摩尔-库仑准则为初始屈服函数,采用相适应流动法则,建立了能够反映多晶冰应变软化特征的弹塑性损伤本构模型。利用不同围压、不同温度条件下的常规三轴压缩试验数据对提出的本构模型进行了验证,并对部分模型参数进行了参数敏感性分析。将建立的弹塑性损伤本构模型写入FLAC软件中,利用单个单元的三轴压缩数值模拟对写入的本构模型进行了验证;然后使用写入的弹塑性损伤本构模型对圆柱状试样开展三轴压缩数值模拟,对数值模拟结果进行了详细的分析。研究结果以期为冰川稳定性分析以及冰川多场耦合研究提供理论及数值基础。

冻土蠕变过程的微结构损伤行为与变化特征

依据人工冻土的单轴蠕变试验资料和结构复型—电镜分析结果,讨论了冻土蠕变过程的微结构损伤行为与变化特征。试验结果表明,蠕变应力水平是控制损伤行为特征的决定性因素。研究结果是建立冻土损伤理论的前提和基础。

冰糖,选好用对有学问

冰糖是人们生活中常见的一种食材,不论是做菜上色还是炖汤调味,很多时候会用到冰糖。那么,不同的冰糖,如白冰糖、黄冰糖、菊花冰糖等,它们之间有什么区别、应该怎么选择呢?冰糖的分类冰糖是经再溶、清净处理,重结晶而制得的大颗粒结晶糖,可以分为单晶冰糖和多晶冰糖——单晶冰糖纯度较高,因此糖粒非常均匀,从外表看光滑透明,而且洁白有光泽。