细粒含量和相对密度对饱和珊瑚砂体应变发展特性影响试验

随着珊瑚岛礁基础设施建设的不断发展,其工程应用的安全性已成为学术界重点关注的问题。通过系列排水循环三轴试验,探究细粒含量F_(c)和相对密度D_(r)对饱和珊瑚砂变形特性的影响。试验表明:F_(c)和D_(r)均会显著影响累积体应变ε_(vd,ir)^(N)(N为加载过程中的循环次数)和动弹性模量E_(d,N)的发展。当0%≤F_(c)≤30%时,不同工况下试样变形的发展模式依据安定性理论可描述为塑性安定行为。稳态累积体应变ε^(s)_(vd,ir)随F_(c)的增大而增大,随D_(r)的增大而减小;ε^(N)_(vd,ir)的发展速率随F_(c)的增大而增大。此外,F_(c)的增大会导致初始动剪切模量E_(d,l)和稳态动弹性模量E_(d,s)产生一定幅度衰减,引入无量纲参数相对动弹性模量E_(r),发现E_(r)的增长速率随F_(c)的增大而增大,但几乎不受D_(r)的影响。基于二元介质理论引入等效骨架孔隙比e^(*)_(sk),鉴于稳态累积体应变ε^(s)_(vd,ir)、E_(d,l)和E_(d,s)均与e^(*)_(sk)存在相关性,建立饱和珊瑚砂ε^(N)_(vd,ir)/ε^(s)_(vd,ir)和E_(r)与e^(*)_(sk)相关的预测模型,结合文献中数据进一步验证模型的适用性。

不同运动模式下人体股骨应变能密度影响促骨生成效应的数值计算研究

目的研究不同运动环境下,结合骨重建理论计算不同力学刺激下骨密度和骨强度变化趋势,建立运动促进骨质健康的无创监测和预测方法。方法基于应变能密度准则和骨自优化理论,编写骨重建算法。结合股骨近端有限元模型和骨重建算法,对静止站立、行走、跑步、深蹲、原地起跳和深蹲起跳6种运动的人体生理载荷和边界条件进行模拟,通过迭代计算得到骨密度分布,预测骨组织在不同运动力学刺激下的结构适应性变化。结果不同力学刺激对松质骨生长的影响不尽相同。行走和深蹲中髋臼、股骨颈的骨密度分布均匀,重建效果较好,与真实松质骨结构相近,应力的增长与密度的生长与骨局部区域所受到力学刺激密切相关。跑步和跳跃类的运动提供了更大负荷和更高频率,能在较短时间内增强骨结构强度,但存在骨应力性损伤风险。深蹲起跳结合静态和动态负荷,使股骨近端承受压力同时受到冲击力的刺激,综合负荷运动对股骨干的刺激显著,同时能增强下肢肌肉力量和协调性。结论本研究通过数值计算证实行走和深蹲适合长期维持骨骼健康,高冲击运动适合骨骼快速生长及需应对高强度负载的人群。提出的骨重建迭代算法对骨密度无创监测和预测,有望为运动促骨健康理论提供技术支撑。

基于Berkovich压痕应变能量密度的钢材断裂韧性评价方法

为改善压痕法测试断裂韧性过程中测量标准不同和精度不足的问题,基于临界压痕能量(Critical indentation energy, CIE)法,提出了基于Berkovich压痕应变能量密度(Strain energy density, SED)评估钢材断裂韧性的方法。同时考虑弹性和塑性能量并修正临界总压深,评价了9种钢材的韧性。结果表明,发现仅考虑塑性能量所测量韧性的相对误差在5%~20%,而本文同时考虑弹性和塑性能量所测量韧性的相对误差在5%以内。同时,确定临界总压深的拟合范围需要避开材料近表面弹性模量上升的区域,改善了基于CIE法使用Berkovich压头评估钢材断裂韧性的精确度。

一种改进的当量应变能密度方法

讨论了循环加载下材料的塑性应变能、储能和热能耗散,发现当量应变能密度(equivalent strain energy density,ESED)准则相比Neuber准则多考虑了塑性应变能密度,因此当量应变能密度准则局部应变场估计值会远低于Neuber准则的估计值.提出改进的当量应变能密度方法,改进方法的估算值比Neuber准则更接近试验值,且寿命估计结果在工程上应用安全.改进的当量应变能密度准则的估计结果与疲劳失效试验结果符合较好.

川滇主要断裂带应力应变积累速率的三维有限元模拟:初步结果

川滇地区构造活动强烈,活动断裂众多,强震活动频繁.了解主要活动断裂的应力应变积累速率对于评估该区的长期地震危险性具有重要参考作用.本文新建立川滇地区及其主要活动断裂的三维黏弹性有限元模型,其中考虑了该区的岩石圈结构分层以及介质在水平和深度方向的不均匀性;采用1996—2018年的平均GPS水平速度场约束模型的侧边界,同时考虑川滇地块深部介质的拖曳力过程,模拟计算了构造加载作用下模型的动力学响应——区域变形特征和断裂的应力积累速率.模拟的位移场能很好拟合GPS观测的速度场,模拟的水平主应力方向在川滇块体和华南块体西缘与地震震源主应力方向相符,反映所建模型与模拟结果有较好的可信度.尝试将模拟的应力积累速率与基于GPS/GNSS观测的应变速率相结合,计算能反映区域地壳应变积累程度的弹性应变能密度分布;讨论了主要断裂带的背景应力、弹性应变能密度和库仑应力积累速率与M≥6.0地震发生的关系.结果显示除了模型边界附近的应力奇异地带外,川滇其余地区1996年以来M≥6.0地震大多数发生在模拟应力积累速率高或次高的断裂带(段),以及弹性应变能密度积累速率中偏高的断裂带(段).在模拟的背景应力速率高而且库仑应力增长快的龙门山断裂带南段和鲜水河断裂带最南段,分别在本文写作和定稿阶段发生2022年6月1日四川芦山M6.1地震和2022年9月5日四川泸定M6.8地震.认为研究区具有类似高或者次高的模拟应力和弹性应变能密度积累速率、但至今无强震发生和记录的断裂带(段),潜在的地震危险性需要关注.

不同密度硬质聚氨酯泡沫的力学性能和本构关系

目的不同密度的硬质聚氨酯泡沫(RPUF)适用于不同的工程应用,通过对不同密度RPUF力学性能开展研究,并对现有的本构模型加以修正,得到材料真实的本构关系。方法通过开展不同密度RPUF材料的准静态压缩实验(0.001 s^(−1))及不同加载速率(100~1000 s^(−1))下的动态压缩力学性能实验,得到材料的应力-应变曲线,在此基础上分析RPUF材料的密度效应及应变率敏感性,得到其真实本构关系。结果RPUF材料力学性能受到密度和应变率的耦合影响,随着密度以及应变率的增大,RPUF材料的屈服应力呈指数函数形式增大;给出了RPUF材料屈服应力与应变率及密度之间的函数关系式。结论得到了基于实验数据以及横向惯性效应修正后的Sherwood-Frost模型(M-S-F模型),研究结果可为RPUF材料在抗冲击方面的工程应用提供指导。

侵彻数值仿真中网格密度对单元失效应变影响分析

[目的]旨在解决数值模拟平头弹对金属板的侵彻问题中,网格尺寸对单元失效应变取值和弹体剩余速度的影响。[方法]应用有限元软件LS-DYNA对Q235钢材料单轴拉伸实验进行数值仿真,结合实验中试样断裂时的伸长量得到该网格密度下的单元失效应变,绘制出失效应变随网格密度变化的曲线并进行动态修正;然后,进行平头弹侵彻Q235钢板的数值仿真,并对靶板进行不同尺寸的网格划分。其中Q235钢材料的单元失效应变按修正曲线取值,将弹体的剩余速度与实验结果对比,分析数值仿真中网格密度对金属板抗侵彻问题仿真结果的影响。[结果]研究表明,数值仿真中选取的单元失效应变应随网格密度的增大而增加,在金属板的抗侵彻问题中随着网格密度的增大,对弹体剩余速度预报的仿真结果逐渐收敛并与实验结果相近。当网格尺寸为0.5 mm时,研究速度段内数值仿真与实验拟合曲线的平均相对误差最小,为5.13%;仿真与实验的误差在低速段更大,且低速度段弹体剩余速度对网格密度更加敏感。[结论]相关计算方法及研究结果对弹体侵彻问题中网格密度和材料失效应变的取值及变化规律具有一定参考价值。

基于有限体积应变能密度法的钎焊接头疲劳寿命研究

为了评估钎焊接头的疲劳寿命,课题组构建了不锈钢钎焊接头的疲劳寿命模型。首先通过拉伸实验和低周疲劳实验获得不锈钢钎焊接头的基本性能和疲劳数据,再运用基于缺口应力强度因子(notch stress intensity factor, NSIF)的有限体积应变能密度法,结合有限元和理论计算结果,并综合考虑钎焊后的残余应力来评估钎焊接头的疲劳寿命。有限元计算结果表明NSIF能够准确描述焊缝附近的残余应力,并且应变能密度对网格精度敏感性较低。最后将疲劳实验结果与计算得到的应变能密度相结合,搭建出总应变能密度和疲劳寿命关系模型,为不锈钢钎焊接头寿命评估提供了一种简单高效的方法。

面向刚度设计的GFRP和VRB/GFRP混合层合板应变能密度分布研究

针对VRB/GFRP混合结构刚度优化设计复杂而耗时这一问题,利用有限元法分析了GFRP铺层角度和铺层数量、VRB厚度分布形式对两种层合板刚度特性及各组分应变能密度分布的影响规律。研究结果表明,应变能密度越小能表征更好的刚度性能;抗弯与抗凹工况下,采用#(0/90)铺层角度、增加GFRP铺层数量以及VRB采用0.9-1.8-0.9 mm的厚度分布形式时,VRB/GFRP层合板各组分的应变能密度分布更加均匀,从而获得更好的刚度性能。

干密度对定向剪切下重塑黄土力学特性影响研究

为研究不同干密度对定向剪切下重塑黄土力学特性的影响,采用英国GDS空心圆柱扭剪仪(HCA)对青海重塑黄土进行一系列定向剪切试验。试验保持平均主应力、中主应力系数和大主应力方向角不变,重点探讨干密度的变化对定向剪切条件下重塑黄土强度和变形的影响。试验结果表明:重塑黄土在定向剪切路径下破坏强度随着干密度的增大而增大;重塑黄土的八面体剪应变和主应变的开展模式受到初始干密度的显著影响;重塑黄土的归一化强度随干密度的增大呈现出近似线性增长的趋势;重塑黄土在剪切破坏后期的大主应力方向和应变方向不一致,存在明显的非共轴现象;在干密度为1.72 g/cm^(3)时,重塑黄土剪切破坏时的非共轴角超过12°。

对硫酸钡砂的硫酸钡含量、表观密度及其120kV电压下铅当量的研究

选取15组硫酸钡砂样品,参照GB/T 2899-2017《工业沉淀硫酸钡》对硫酸钡含量进行检测,依据JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》对表观密度进行检测,依据YY/T 0292.1-2020《医用诊断X射线辐射防护器具第1部分:材料衰减性能的测定》对铅当量进行检测。结果显示,一般情况下,表观密度越大,硫酸钡含量越高,但由于硫酸钡砂存在杂质,当杂质表观密度比硫酸钡大时,硫酸钡含量并非总随表观密度增加而增加;对铅当量有直接影响的是硫酸钡含量,硫酸钡含量越高则铅当量越大。

应变对析氢反应催化剂TiC_(2)性能影响的研究

应变工程是一种有效地用来调整原子薄膜材料的电子、磁性和光学性能的策略.利用第一性原理计算,我们表明应变也可以有效地调节Ti C_(2)的析氢反应(HER)的催化活性,这是电解水电化学制氢所必需的.我们主要考虑0-8%范围的拉伸应变,研究发现,在25%的氢覆盖率下双轴拉伸比单轴拉伸能更有效的提高HER活性,但b方向拉伸后的Ti C_(2)结构具有更高的氢最大覆盖率,且b方向的拉伸应变对不同氢覆盖率的Ti C_(2)单层片的催化性能都有很大的提高.电子结构计算表明,拉伸应变可以激活相对惰性的内部价电子,从而引起体系的失稳和催化活性的提高.在本工作中获得的见解可能有助于利用应变作为一种有效手段来提高二维材料的催化活性,并探索更有效地调整其电子结构和催化活性的新方法.

基于现场高应变检测成果的PHC管桩承载力可靠性分析

以北京西部某地桩基工程为例,场区土层上部为Ⅰ级非自重湿陷性黄土类土,厚度一般在5.0~8.0m之间,地基承载力特征值为100~130kPa。采用基桩高应变检测法对工程现场146根PHC管桩的检测成果进行统计分析,并对PHC管桩承载力进行了可靠性分析。结果表明,同一深度处极限侧阻力和端阻力基本符合正态;当安全系数一定时,活荷载与总荷载的比值、总侧阻力和端阻力的变异系数对可靠度指标影响较大。

拉伸应变下SiC/SiO_(2)近界面碳缺陷的结构和电学特性演变

SiC/SiO_(2)界面拉伸应变对SiC MOSFET器件的电学性质和可靠性变化有重要影响。通过第一性原理密度泛函计算,建立了4H-SiC/SiO_(2)的界面结构,研究了不同拉伸应变对近界面碳碳双键(C=C)和碳氧双键(C=O)缺陷的结构和电子特性的影响。计算结果表明,在较小应变下C=C和C=O缺陷模型所受应力随应变线性增加,缺陷形成能减小,说明此时拉伸应变使这两种缺陷更容易形成。应变超过20%后,两种缺陷结构附近出现电子离域化,部分化学键断裂,缺陷结构遭到破坏。根据电荷态密度计算得出,拉伸应变的增加会使界面结构的带隙减小及缺陷能级位置改变,从而引起阈值电压漂移,这是拉伸应变引起SiC MOSFET性能不稳定的主要原因。

硫化时间对硅橡胶交联密度和性能的影响

研究了硫化时间对硅橡胶交联密度和性能的影响,并利用平衡溶胀法与应力应变法分别对不同硫化时间(10,15,20 min)下的硅橡胶的交联密度进行了计算。结果表明:随着硫化时间的延长,硅橡胶的拉伸强度和拉断伸长率呈略微下降趋势,撕裂强度先上升后下降,硬度基本维持不变;交联密度数值与力学性能的变化相符;热空气老化后,随着硫化时间的延长,拉伸强度和拉断伸长率变化率大幅下降,硬度变化基本一致。

高温高压条件下钻井液当量静态密度预测模型

高温高压井中,钻井液密度受温度和压力的影响较大,如果按照钻井液地面物性参数来计算井底静压则会产生较大误差,在孔隙压力与破裂压力差值很小的井中,可能会产生井涌、井喷或井漏等井下复杂情况或事故。从井筒温度场的数值模拟入手,首先建立了钻井液循环期间井筒的温度分布模型,然后通过高温高压钻井液密度试验,分析了钻井液的高温高压密度特性,并在试验的基础上建立了高温高压钻井液密度预测模型,在此基础上,用迭代数值计算方法建立了钻井液循环期间当量静态密度预测模型。该模型将循环期间的井筒温度场模型与高温高压钻井液密度预测模型结合起来,计算出的钻井液当量静态密度较为准确。该模型为控压钻井技术提供了理论依据,对于合理控制井下压力、预防井下复杂情况和事故的发生具有指导意义。

高温深井钻井液当量循环密度预测模型

在高温深井中,钻井液密度、流变性受压力和温度的影响较大,如果按照钻井液地面物性参数来计算当量循环密度,则会产生很大误差,在孔隙压力与破裂压力差值很小的井中,可能会产生井涌、井喷或井漏等后果。从钻井循环期间井筒温度场模型入手,建立了高温高压钻井液密度、当量静态密度、流变参数以及当量循环密度预测模型。经实验验证,所建立的高温高压钻井液密度、流变参数模型的预测值与实测值一致,相关系数都在0.99以上,使用当量循环密度模型比用常规方法计算结果更为准确。该模型为压力管理钻井技术提供了理论依据,对于合理控制井下压力,预防复杂和事故的发生具有指导意义。

确定橡胶材料应变能密度函数的一种新方法研究

(海军工程大学振动与噪声研究所,武汉430033)摘要有限元计算中,橡胶材料作为一种超弹材料常采用应变能密度函数来表示其力学性能。确定应变能密度函数的常用方法是先做出标准试件,然后进行单向拉伸、等轴压缩、平面剪切等试验,最后对试验数据进行拟合。该方法的前提是能得到标准试件,而在得不到标准试件的情况下就需要寻求新的方法来确定应变能密度函数。本文提出了一种从橡胶总成试验数据出发,利用多目标优化软件iSIGHT集成有限元软件,优化确定橡胶应变能密度函数的新方法,同时还在应变能密度函数选取方面得出一些有实用价值的规律。

基于应变能密度理论的岩石破裂数值模拟方法研究

采用双线性应变软化本构模型结合能量耗散原理建立了损伤本构方程,并通过应变能密度理论建立了细观单元岩石破坏的能量判别准则。当某一单元所存储的应变能超过某固定值时,单元进入损伤状态,同时单元的损伤程度随着能量耗散的增加而增加,损伤单元的材料属性也随之改变,直到变为具有一定残余强度的单元。随着荷载增加,单元损伤的程度变大,当单元储存的应变能超过所建立的能量判别准则时,定义单元破坏,随着破坏单元的数目不断增多,破坏单元相互连通形成宏观裂纹,实现了利用线性计算完成非线性计算的过程,避免了数值计算在单元断裂时的奇异性,模拟了岩石的峰后破裂行为。对上述算法利用FLAC中的FISH语言开发了岩石破裂化计算程序,并将该程序成功应用于巴西劈裂和中间裂隙拉伸试验的破裂模拟过程中,其模拟结果与相应的理论和试验结果吻合较好,说明该方法对于模拟岩石破裂过程的正确性和可行性。

动静组合加载下岩石破坏的应变能密度准则及突变理论分析

阐述了岩石在动静组合载荷作用下使用应变能密度定义破坏准则的适用性。分析认为,岩石破坏的应变能密度的临界值与岩石破坏之前的不可逆变形过程和外界条件有关,而不可逆变形过程主要是由于岩石的非弹性变形、损伤和其他内部耗散机制引起的,且反映静水压力的体积变形能在某些应力状态条件下的岩石破坏中是不能忽略的。提出用机械模型来反映动静组合加载下岩石单元体弹性的劣化和非弹性变形的产生以及加载速率的影响,并以机械模型为基础,求出受一维静载岩石在动载作用下破坏应变能密度的临界值。同时,根据静力预加载结构的冲击屈曲突变模型,建立了静加载岩石系统的冲击破坏模型,进一步分析了动静组合加载下岩石的破坏。最后,采用低周疲劳加载方法在Instron电液饲服控制材料试验机上进行了红砂岩中应变率下的动静组合加载破坏试验,对应变能密度准则和突变理论模型进行了验证。结果表明,理论模型与试验结果有较好的一致性。