不同固定碳含量石墨矿石单轴压缩力学行为及损伤本构关系研究

不同固定碳含量石墨矿石力学性能和工业价值有所差异,研究石墨矿石力学性能与其固定碳含量之间的关系,对于深刻认识和科学利用石墨矿石具有重要意义。为此,综合运用石墨化学分析方法、岩石单轴压缩试验和岩石统计损伤理论,研究不同固定碳含量石墨矿石单轴压缩荷载作用下的力学响应特性,揭示固定碳含量对石墨矿石力学性质及损伤本构关系的影响。试验结果表明:石墨矿石试样单轴抗压强度随固定碳含量增加呈负指数型函数递减趋势、弹性模量呈线性函数递减趋势、峰值应变呈指数型函数递增趋势;随固定碳含量增加,石墨矿石试样破坏模式由张拉破坏过渡到拉剪混合破坏,最后向剪切破坏转变。引入与固定碳含量相关的损伤因子,建立了反映固定碳含量影响的石墨矿石统计强度型损伤本构模型,并将理论曲线与试验曲线进行对比,验证了所建立的损伤本构模型的有效性与合理性。

冻融循环下轴心受压砖砌体损伤本构关系模型

基于损伤力学理论和应变等价原理,将冻融循环下轴心受压(砖)砌体损伤等效为砌体冻融损伤和轴心受压损伤的非线性耦合,推导了砌体冻融损伤和轴心受压损伤演化方程,获得了冻融循环下轴心受压砌体损伤演化方程,建立了冻融循环下轴心受压砌体损伤本构关系模型.利用冻融循环后砌体轴心受压试验数据验证所建立模型的合理性.结果表明:所建立的冻融循环下轴心受压砌体损伤本构关系模型能很好地拟合冻融循环后砌体轴心受压试验数据.该模型可为寒冷地区在役砌体结构有限元模拟及耐久性评估提供理论基础.

橡胶集料自密实混凝土的统计损伤本构关系

为研究橡胶集料对橡胶集料自密实混凝土(RSCC)力学性能的影响,并建立相应的本构预测模型,对RSCC进行了压缩应力-应变试验。试验结果表明:随着橡胶掺量的增加,RSCC的抗压强度降低,变形能力增强,韧性增大。根据RSCC的微元强度服从随机分布的特点,以米塞斯强度准则定义RSCC的微元强度,以对数正态分布表征RSCC的微元强度的分布模型,并考虑模型参数与橡胶掺量的关系,建立了以橡胶掺量为变化因素的RSCC的统计损伤本构关系,拟合效果十分理想,拟合曲线与试验曲线的相关系数随橡胶掺量的增加而增大,最大值为0.989 1。该模型形式简单,参数少且计算简便,能够有效体现RSCC在不同橡胶掺量下的韧脆性转化特征。最后研究了RSCC的损伤演化过程。随着应变的增加,RSCC的损伤演化曲线呈S形,单调递增,终值趋近于1,橡胶掺量的增加延缓了RSCC初始损伤的发展;损伤的发展速率随应变的增加先增大后减小,在峰值应变附近达到最大值,橡胶掺量的变化对损伤发展速率的最大值没有影响。

基于多尺度分析的混凝土随机损伤本构关系

通过多尺度能量积分与能量损伤表达建立宏-细观尺度之间的联系,即混凝土宏观尺度的损伤演化可以通过细观单元的分析获得.根据随机细观单元的数值分析结果,积分得到基本细观单元能量的演化,分别计算受拉与受剪损伤的演化曲线.建议了实用的损伤演化公式,并基于基本单元分析获得随机损伤发展参数的均值、标准差及其概率密度分布.混凝土宏观试验的模拟结果验证了多尺度随机损伤本构模型的正确性.

煤矸石混凝土冻融损伤本构关系试验研究

通过对冻融后煤矸石混凝土的单轴受压试验,研究了冻融循环次数和煤矸石取代率对煤矸石混凝土力学性能的影响,提出了冻融作用下煤矸石混凝土峰值应力、峰值应变的退化规律,并拟合应力-应变曲线,提出了煤矸石混凝土冻融损伤单轴受压本构关系。试验结果表明,随着冻融循环次数的增加,煤矸石混凝土峰值应力逐渐降低,峰值应变和极限应变逐渐增加,应力-应变曲线趋于扁平,受压早期压实效应尤为明显,弹性模量迅速降低,应力-应变曲线前端部分出现下凹。此本构关系精度较好,对煤矸石混凝土的推广应用和进一步改性研究有一定参考价值。

混凝土随机损伤本构关系研究新进展

提出了一类混凝土细观损伤物理模型 ,用于解释高性能混凝土在本构层次上的细观损伤演化特征 .建立了混凝土单轴受拉、单轴受压与双轴拉压组合条件下的随机损伤本构关系模型 .利用混凝土单轴受拉破坏全过程的声发射实验数据 ,引入随机建模理论 ,确立了细观损伤单元的极限破坏应变随机场分布参数 .通过与一批高性能混凝土本构关系试验数据相比较 。

砖混再生粗骨料混凝土损伤本构关系

为了研究取代率和配合比设计方法对砖混再生粗骨料混凝土力学性能的影响,采用应变等价性原理并基于Weibull函数分布建立了砖混再生粗骨料混凝土损伤本构模型,并结合分布参数与取代率的函数关系,修正了损伤本构模型,探讨了损伤变量和损伤变量发展速率与应变的关系.结果表明:本构模型曲线与试验曲线的相关性较高,模型参数a,b与取代率之间满足二次函数关系,分别反映了峰值应力、峰值应变和混凝土的脆性;砖混再生粗骨料混凝土的总损伤D由初始损伤DR和荷载损伤DC组成,掺入砖混再生粗骨料对混凝土造成了初始损伤,总损伤变量随应变增加呈S型单调递增,损伤变量发展速率呈先增大后减少的趋势;砖混再生粗骨料混凝土的配合比设计方法对其损伤程度和损伤变量发展速率有一定影响.

三维复合岩层损伤本构关系与演化方程

根据岩石微结构模型及应力应变发展规律，运用统计学与损伤理论，建立了三维复合岩层的损伤演化方程及损伤本构关系。实验结果表明，二者吻合良好。这对正确描述复合岩层损伤破坏过程，深入研究层状岩体的稳定性具有实际意义。

基于损伤本构关系的钢筋混凝土双向压弯截面分析

基于混凝土材料的损伤本构关系和平截面假设,推导出钢筋混凝土双向压弯截面刚度矩阵的计算公式.为研究混凝土损伤本构关系对截面分析的影响,用推导的截面刚度矩阵进行钢筋混凝土双向压弯截面分析,理论结果与试验数据进行比较,二者吻合较好;并与用我国混凝土结构设计规范中的混凝土非线性分析本构关系分析的计算结果比较,二者计算结果相符.表明本文方法计算可行,并通过本文方法计算结果可以了解、评估结构内部的损伤分布情况.

多次冲击下砂岩粘弹性损伤本构关系

为研究砂岩的粘弹性损伤特性,开展了多次冲击压缩下的霍普金森杆试验。通过砂岩动应力应变曲线分析了中应变率范围内两种动变形模量的定义方法,表明采用等效动变形模量能反映砂岩在动态冲击压缩作用下的损伤变化特性。从微观角度出发,砂岩的统计损伤变量可由破坏的微元体数量占全部微元体数量的比例定义;从宏观角度出发,这种统计损伤变量也可由微元体破坏前后的动变形模量定义,并验证了动变形模量服从Weibull统计分布。微元体受力模型由粘性体和损伤体并联而成。粘性体的力学机制由砂岩动应力与动应变、应变率之间高度线性相关的拟合关系得到合理的解释;损伤体的应力应变关系由Drucker-Prager强度准则和Lemaitre应变等效原理基础上推导而来。通过对建立的粘弹性本构关系曲线与试验曲线进行验证,两者之间的变化趋势一致,具有较好的代表性,表明建立的粘弹性损伤本构关系是合理的;两者之间的偏差可通过增加砂岩试样数量、优化试验方案以及应用概率统计等途径解决;在获得一定概率保证率的本构关系参数后方可将粘弹性损伤本构关系用于分析和评价煤矿采动区岩质边坡的稳定性,以及为相关的地质工程安全评价提供必要的理论分析基础。

全再生骨料混凝土基本特性及受压损伤本构

为实现废弃混凝土资源最大化利用和充分挖掘其低碳潜能,提出发展全再生骨料混凝土(FRAC),即利用废弃混凝土加工成的再生粗、细骨料全部取代天然砂石制备的混凝土。以4种不同的骨料体系作为参变量,完成了FRAC的力学性能、收缩特性和单轴抗压应力-应变关系试验研究。分析结果表明,混凝土抗压强度受再生骨料体系,尤其是全再生细骨料的负面影响较大,但经过配合比优化,FRAC能满足C30强度等级以上的制备设计要求;全再生骨料体系增加了混凝土的干燥收缩,尤其是早期收缩发展;FRAC在单轴受压作用下出现较小变形时,损伤就开始明显发展,通过考虑初始损伤和受力损伤,建立了适用于FRAC的受压损伤本构模型,能很好地描述其应力-应变行为特征。最后,对提升全再生骨料混凝土力学性能未来需要开展的研究方向进行了展望。

混凝土桥梁结构非线性地震损伤演化

采用基于断裂能的损伤变量表达式,以单位体积材料当前耗能与断裂能的比值定义损伤变量,考虑了混凝土的拉压异性效应。引入了地震损伤的整体演化指标,通过有限元方法利用材料塑性损伤模型模拟桥梁结构在地震激励下的非线性损伤演化过程。数值计算过程中考虑了混凝土后继屈服的随动强化效应,采用损伤型本构关系及相应的Drucker-Prager型屈服函数,并通过算例验证了混凝土结构的非线性地震损伤特性。

混凝土宏观损伤本构模型综述

从弹性损伤模型出发,根据混凝土本构关系的研究历史,整理出了经典弹性损伤模型中的几种独特想法,以及不同损伤模型各自对混凝土材料非线性与不可恢复变形等力学行为的反映。从3个方面归纳总结了经典的弹塑性模型对塑性应变的反映,重点是从损伤变量的演化法则——基于损伤能量释放率、损伤能量释放、经验演化法则总结了几个有代表意义的混凝土损伤本构模型,通过研究对比了各个模型的特点以及不足,为研究混凝土损伤本构模型提供思路。

混凝土在多维应力状态下的损伤本构模型

已有的混凝土平面应力有限元分析均是利用单轴应力-应变本构关系,其中经验系数的选取带有相当的主观色彩,因此十分有必要建立混凝土在多轴应力特别是二维应力状态下的本构关系并直接应用于非线性分析.基于连续损伤力学的理论框架,作者建立了理论上较为完备、应用较为简单的确定性混凝土拉剪弹塑性损伤本构模型.模型数值模拟和已有试验结果的对比表明,本文建议模型能够很好的描述双轴应力条件下混凝土材料的弹性区域包络线以及强度包络线,同时应力-应变全过程结果和Kupfer (Kupfer et al.1969)的试验结果吻合良好,能够很好的模拟混凝土双轴受压强度的提高和双轴拉压应力状态下的"拉压软化效应",这对混凝土结构的非线性分析是非常重要的.

基于内变量损伤模型的复合材料板的非线性动力响应

基于Talreja复合材料张量内变量损伤模型,建立了复合材料单层板平面应力问题的损伤本构关系,进而获得了层合板的损伤本构方程及非线性动力学方程,且应用有限差分法和迭代法进行求解.数值结果表明,考虑结构的损伤和损伤演化时,结构的非线性动力响应将发生显著的变化.

钢板件考虑损伤的循环弹塑性大变形分析

建立结构钢弹塑性各向异性损伤本构关系 ,采用U L 格式的壳体大挠度双重非线性有限元分析方法 ,对四边简支矩形薄钢板进行面内拉压循环荷载作用下的滞回性能分析 ,讨论残余应力、初始挠度。

混凝土及岩土材料破坏过程的弹塑性各向异性损伤数值模型及其应用

博士学位论文摘要 混凝土及岩土材料的破坏过程,是一个极其复杂和极富挑战的研究课题,是力学、材料和工程等学科的研究热点和难点之一。研究混凝土及岩土材料的破坏过程,对于实现从传统的状态(强度)设计理念向现代的过程设计理念转变。揭示混凝土及岩土材料破坏过程的非线性力学行为本质及其破坏机理,提高岩土工程设计水平,评价地下工程安全性能,合理进行地基、边坡工程维修和加固等,均具有重要的理论意义和工程实用价值。 试验作为研究混凝土及岩土材料破坏过程最为直接的手段,为促进其破坏过程的研究发展起了决定性作用。然而,由于受人力、物力和财力等制约,材料的破坏过程试验往往受到限制。理论解析通过对材料进行简化,运用力学和随机分析等研究方法,对其破坏过程的应力与应变关系进行解析,为研究材料的破坏过程提供了重要途径。然而,限于目前数学、力学等的发展水平,解析方法还难以解析材料内部微破裂之间的相互作用问题。数值试验为研究混凝土及岩土材料的破坏过程提供了重要手段。基于材料的细观结构特征和细观单元的本构关系,将随机分布理论和计算力学相结合,可实现混凝土及岩土材料渐进性破坏的全过程分析。细观测试技术的发展和应用,为获取材料的细观结构特征提供了实验手段。

列车动荷载长期作用下圆形隧道衬砌损伤分布特征及演化规律研究

为研究隧道衬砌车致损伤分布特征及演化规律,该文采用规范推荐的混凝土单轴拉压本构关系推导了复杂应力条件下增量损伤本构关系,并基于此本构模型实现了ANSYS标准计算流程的二次开发。通过与单轴拉压试验结果对比验证了计算的可靠性。建立了地铁圆形隧道-地层耦合动力有限元模型,基于改进的Miner累积损伤理论,研究了列车动荷载长期作用下衬砌结构的损伤分布、动力响应、损伤增量及累积损伤演化规律。结果表明:衬砌长期车致损伤关于隧道中心线对称,主要分布于仰拱结构,分布角约120°;列车荷载作用点下方衬砌结构中出现两个损伤集中区,其损伤幅值较其他区域大;随累积运行次数的增加,损伤集中区内车致动应力幅值减小约83%,动应变幅值增大约150%;损伤增量与累积损伤均随列车累积运行次数增加而增大,且呈非线性关系;采用改进的Miner累积损伤理论可提高预测隧道结构疲劳寿命的准确性。

地铁车辆段上盖全框支剪力墙结构抗震性能的非线性分析

对深圳地区151m高地铁车辆段上盖混凝土全框支剪力墙结构采用双标量混凝土弹塑性损伤本构关系建立ABAQUS有限元模型,基于损伤力学理论,分别对结构底部框支框架和上部塔楼进行大震作用下的非线性分析,结果表明:地震作用结束后,结构损伤在安全范围内,采用的全框支剪力墙结构体系抗震性能较好;上部塔楼剪力墙先于底部框支柱出现损伤,且损伤程度大于框支柱,符合全框支转换结构预期的屈服机制;底部框支柱受压损伤小,最大受压损伤因子仅为0.24,框支框架弹塑性层间位移角远小于规范要求的1/120,表明在150m建筑高度范围内采用钢筋混凝土柱可达到预期抗震性能目标。

超临界CO2吸附诱发煤力学性质劣化的双重损伤效应分析

将CO2注入到深部不可采煤层中提高煤层气采收率和CO2长期地质封存,CO2吸附将会诱使煤微观结构及力学性质发生显著改变。深部煤层赋存环境下CO2将会相变为超临界CO2,诱发煤微观结构发生更大程度改变,强度和变形特性变化更显著。大量实验结果表明,不同压力下的饱和CO2煤样强度和弹性模量发生不同程度的劣化,煤样峰值强度和峰值应变演化不协调。基于此,引入双重损伤本构关系用以描述超临界CO2吸附诱发煤强度和变形特性变化,并构建了裂隙中游离CO2流体的有效应力和吸附诱发的膨胀应力耦合分析模型。通过对比验证,数值模拟结果与实验结果具有较好的一致性。数值模拟结果表明,饱和CO2压力越大诱发的煤损伤越大;特别是,超临界CO2诱发煤单轴抗压强度和弹性模量劣化更显著。