高铁防水封闭层沥青混凝土冻融损伤演化模型

为研究高速铁路防水封闭层用沥青混凝土(简称铁路沥青混凝土)的冻融损伤演化,制备了选用不同沥青和不同目标级配的4种聚合物复合改性铁路沥青混凝土,分析重复冻融循环作用下多温域宏观力学性能的劣化规律.构建针对冻融损伤演化模型,并对反复冻融循环作用下的损伤度进行计算.研究发现:4种铁路沥青混凝土在10次冻融循环作用后,各项力学性能指标的残留率均在80%以上;低温断裂能指标对冻融循环次数的增加最为敏感,更能及时反映铁路沥青混凝土的力学性能劣化;基于统计可靠度理论构建的铁路沥青混凝土冻融损伤演化模型的拟合优度值均接近0.99.

复合材料层压板疲劳损伤演化模型的综述与评估

疲劳损伤演化模型是材料疲劳性能退化与寿命预测的重要基础。本文对复合材料层压板的疲劳损伤演化模型进行了全面综述,针对材料损伤演化三阶段(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)特征将其磨损模型分为两类:Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ三阶段模型和Ⅰ-Ⅱ两阶段模型。提出了模型评估的五个基本标准,选取了八组不同加载条件下的疲劳损伤演化实验数据,对表征能力较强的疲劳磨损模型进行了分析评估。现有研究表明:绝大多数疲劳损伤演化模型属于宏观唯象模型,模型中引入的疲劳影响因素少,对实验的依赖程度高;对于Ⅰ-Ⅱ两阶段损伤,两阶段磨损模型具有很高的拟合精度;相比而言,Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ三阶段磨损模型可准确模拟疲劳损伤演化全过程,比Ⅰ-Ⅱ两阶段磨损模型更具普适性,其中Mao、吴富强和Shiri的模型应用较为广泛。为了克服唯象模型的不足,须考虑不同影响因素下材料的微细观损伤形式和机理,进而发展基于物理机制的疲劳损伤演化理论和模型。

TC11钛合金热锻成形过程中延性损伤演化模型的建立

基于连续损伤理论,考虑了变形温度与应变速率的影响,将与变形温度和应变速率相关的Zener-Hol-lomon参数作为一个修正函数A(Z)引入损伤演化模型,通过TC11钛合金在高温下的单向拉伸实验,确定了模型中的系数,建立了TC11钛合金高温塑性变形的损伤演化模型。通过高温压缩实验对模型进行了验证,结果表明,该模型可以很好地对TC11钛合金在低应变速率下的损伤行为进行预测。

钢绞线拉伸过程中的声发射特征及其损伤演化模型

针对常规的无损检测方法不能够动态跟踪钢绞线的损伤演化过程,提出了采用声发射技术来监测钢绞线的损伤演化。利用钢绞线的拉伸试验,对其损伤全过程进行了声发射监测,得到了钢绞线拉伸损伤全过程的声发射特征信号:钢绞线在断裂之前,声发射特征参数并不明显,在接近断裂时,声发射信号迅速增大,并在屈服点附近出现一个大的突发信号。通过声发射机理分析,发现声发射累积能量可作为钢绞线损伤的特征参量,能动态分析钢绞线损伤演化过程和规律,较容易判断断丝的根数和发生的时刻。利用声发射累积能量的相对变化来定义钢绞线损伤因子,推导了用声发射特征参数表示钢绞线损伤演化方程,此方程可用威布尔累积分布函数来描述,并对其正确性与合理性给予了验证与分析。

一种延性材料的统计损伤演化模型

通过对微孔洞成核、成长过程的合理简化 ,建立了微孔洞演化的控制方程 ,得到了延性材料微孔洞数密度及损伤演化方程的解析表达式 .据此讨论了孔洞成核和成长对损伤演化的作用 ,为连续损伤理论的唯象描述提供了有参考价值的分析 .提出了统计损伤与连续损伤理论相结合的损伤演化模型的雏形 .

基于损伤演化模型的高速列车侧墙碰撞失效分析

将弹塑性材料模型与损伤演化模型耦合构建碰撞仿真的本构模型,在GISSMO损伤演化模型基础上引入应力状态对失效的影响。基于Al6061不同应力状态试件试验的仿真校验材料模型参数,实现高速列车侧墙结构碰撞过程的失效响应分析。研究结果表明:在Al6061试验中,相比于常数失效应变,损伤演化模型的仿真误差明显偏小;在碰撞中,失效单元内的应力三轴度随空间位置、碰撞历程在-0.67~0.67之间反复变化,随应力三轴度升高,失稳应变、损伤累积导致的实际失效应变逐步降低;同时,弹塑性模型与损伤演化模型揭示了高速列车侧墙结构碰撞过程的弯曲、褶皱变形与损伤积累,直至局部出现失效,避免了常数失效应变、不考虑失效条件下掩盖材料劣化过程而对结构承载的理想化预测。

碾压混凝土的动态力学特性分析及损伤演化本构模型建立

为了深入认识碾压混凝土的动态力学特性,参考实际水工混凝土大坝工程制备试样,借助改进的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置测定碾压混凝土的动态性能,得到不同级配碾压混凝土试样在动态冲击荷载下(应变率为25～80s-1)的应力-应变曲线,分析其强度和变形特性、破坏形态和吸能特性,并建立基于Weibull分布的损伤演化本构模型。研究结果表明:碾压混凝土强度较低,加载过程中应力发展不充分,其应力-应变曲线呈现1个明显的平台阶段;碾压混凝土的峰值应力、峰值应变、单位体积吸能率均随加载应变率的提高而增大,并满足二次多项式关系;建立的统计损伤演化模型可以有效地描述碾压混凝土在动态冲击荷载下的力学行为,理论结果与实验结果吻合较好。

低周反复荷载下再生混凝土柱损伤演化模型研究

通过对现有的两种混凝土损伤评估模型的分析,本文以刚度退化和累积滞回耗能两个指标来描述在低周反复荷载下再生混凝土的损伤累积过程,提出了一种适用于再生混凝土柱的双参数地震损伤模型.通过24组文献数据拟合出模型参数的合理值与耗能因子β同再生混凝土多因素之间关系的表达式.同时对再生混凝土柱的损伤量化标准进行了细分.最后将本文提出的损伤模型同另外两种模型作了比较.对比表明,本文所提出的损伤模型计算出来的损伤值标准差较小,离散性较低,能够更好地反映再生混凝土柱的累积损伤过程.

颗粒增强铝基复合材料损伤演化模型研究

颗粒增强铝基复合材料发生塑性变形时,不可避免产生损伤,最终会导致出现宏观断裂。为了研究复合材料损伤演化行为,基于连续损伤力学理论,建立了复合材料热变形过程中的损伤演化模型,把Zener-Hollomon参数当作包含变形温度和应变速率的一个变量引入模型中。利用Lematire提出的弹性模量法进行高温多道次拉伸实验,得到了复合材料不同变形条件下的损伤演化曲线。对损伤演化曲线数据拟合确定了模型参数为A(Z)=2.22769-0.09438ln Z+0.00238ln2Z,对损伤临界值拟合确定了复合材料宏观断裂的判断依据为DC(Z)=0.50915-0.00577ln Z,通过对比当前损伤值与损伤临界值可以判断是否发生宏观断裂。采用高温压缩实验对损伤演化模型进行验证,结果表明该模型可以较好地预测复合材料的宏观断裂现象,为实际生产工艺的制定提供理论依据。

半刚性基层材料疲劳损伤演化可靠度模型

本文借助损伤力学理论,推导了临界损伤值DC不等于1时,一维应力状态下的疲劳损伤演化模型,在假设材料疲劳寿命服从正态分布、以半刚性基层材料为例利用疲劳试验进行验证,并忽略裂纹扩展寿命的基础上,推导出了一个新的疲劳损伤演化可靠度模型。利用该模型可计算出具有任意可靠度p保障率下的损伤量值Dp,同时表明特定荷载下构件材料损伤量值D具有随机性与离散性,凭借利用传统确定性演化模型计算出的损伤量值D来判定构件的损伤程度,进而评估结构安全性的做法,可能导致损伤被低估而使得已然存在的危险事实被掩盖。

三轴加卸载下混凝土损伤特性及抗渗性能研究

地下跨江隧道混凝土衬砌在其服役期间会承受车辆等循环荷载的作用,导致混凝土衬砌产生不同程度的力学损伤,从而弱化了混凝土衬砌的抗渗性能。为此,针对高性能混凝土开展了三轴循环加卸载试验,研究了三轴循环加卸载全过程中高性能混凝土变形及力学特性、力学损伤特性及抗渗性能演化规律及机制。研究结果表明:①循环加卸载引起的混凝土力学损伤随循环次数的增加而逐渐增大,并与塑性应变呈现出良好的指数形式演化关系。②循环加卸载下混凝土渗透率演化规律可分为稳定期、迅速增长期、缓慢变化期3个阶段,其中,围压水平对渗透率演化的第一阶段和第三阶段有明显的影响。③Logistic经验模型可以很好地描述混凝土渗透率与力学损伤之间呈现出的3阶段演化规律。研究结果有助于了解三轴循环加卸载全过程中高性能混凝土抗渗性能及力学损伤演化机制,同时可为确定不同应力水平下混凝土结构物力学损伤及抗渗性能提供参考。

矿井环境中混凝土材料腐蚀损伤演化与机理分析

通过试验模拟地下复杂环境中混凝土在硫酸盐腐蚀和干湿循环耦合作用下混凝土受力特点和损伤演化,测试和分析了不同腐蚀时期混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、质量和超声波速的变化及加载受荷过程中应力应变曲线变化,运用损伤力学,对腐蚀损伤进行多指标全面评价。分析受荷过程中腐蚀损伤对混凝土应力-应变关系的影响。结合腐蚀时间和应变对混凝土损伤扩展的影响,建立受蚀混凝土的受荷损伤模型。采用环境扫描电镜(ESEM)和X射线衍射(XRD)分析受蚀混凝土的微观结构演化。试验结果表明:1混凝土受到硫酸盐侵蚀和干湿循环耦合作用,抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度的经时变化规律大致相同,均呈现先增大后减小,其中劈拉强度和抗折强度对侵蚀引起的损伤更加敏感,劣化更加明显。通过数据回归得到以各性能指标为损伤变量的混凝土腐蚀损伤演化方程,得到不同损伤因子之间的线性函数关系;2随着腐蚀环境的长期作用,腐蚀损伤混凝土试件峰值应力减小,峰值应变增加,弹性模量和峰值变形模量均有所降低。通过数学模型将腐蚀损伤和受荷损伤统一起来,表征混凝土受到的环境腐蚀、荷载及损伤之间的作用关系;3腐蚀产物钙矾石和石膏的膨胀作用和硫酸钠的结晶压在试件内部形成微破裂,随着腐蚀的加剧,微破裂逐渐增多和扩展。

冻融荷载耦合作用下单裂隙岩体损伤模型研究

针对寒区节理岩体工程结构中的冻融受荷岩体,采用在类岩石材料中预制裂隙的方法模拟节理岩体,通过冻融循环试验和单轴压缩试验,分析裂隙岩样的几何特征(裂隙长度、裂隙倾角)对岩体强度的影响;基于细观损伤理论和宏观统计损伤模型,建立冻融受荷裂隙岩石损伤劣化模型,探讨裂隙岩体在冻融和荷载耦合作用下的损伤劣化机制。研究结果表明:(1)岩石反复冻融引起的损伤是一个疲劳破坏的过程,受荷损伤是岩石类非均质材料各组成成分对力的传递速率以及自身变形差异性引起应力场不均匀分布的过程;(2)冻融和受荷以不同的力学机制促使岩石中裂纹的萌生和扩展,由此诱发的损伤相互耦合,其耦合作用会使总损伤有所劣化;(3)裂隙长度以及冻融循环次数对总损伤的影响较大,而裂隙倾角对总损伤的影响相对较小;(4)相同的冻融循环次数下,裂隙岩样较完整岩样的损伤劣化程度严重。

沙漠砂混凝土声发射损伤特性与损伤模型

声发射技术在混凝土材料损伤演化的描述中得到了广泛应用,并取得了较好的效果.为探索沙漠砂混凝土在单轴受压下内部损伤特征与损伤模型,采用声发射技术对不同沙漠砂掺量下沙漠砂混凝土轴心受压全过程进行实时检测,建立不同掺量下的沙漠砂混凝土应力-应变曲线,依据沙漠砂混凝土轴心受压过程中声发射参数(累积振铃计数、累积释放能量),建立沙漠砂混凝土损伤演化模型.结果表明:相较于普通混凝土,沙漠砂混凝土脆性特征明显;当沙漠砂掺量为20%时,其骨架体系最为密实的内部损伤程度较小,且优于普通混凝土;依据声发射参数累积振铃计数与沙漠砂混凝土应力关系推导出的损伤演化模型,能较好反映沙漠砂混凝土在轴心受压过程中的损伤演变规律.

循环荷载作用下沥青混合料的黏弹塑性损伤本构模型

为较好描述损伤状态下沥青混合料的黏弹塑性应力-应变关系、明确动态循环荷载对其损伤本构关系的影响,利用经典黏弹塑性流变理论,在Burgers黏弹性模型上串联一个黏塑性元件,并根据损伤力学应变等效原理,建立了一个能体现动态循环荷载作用特点及能考虑加载频率影响的沥青混合料黏弹塑性损伤本构模型.同时进行间接拉伸疲劳试验,研究加载频率、环境温度、应力水平、沥青用量及沥青种类对混合料应力-应变关系的影响,并标定模型参数、验证模型的有效性.结果表明:所建模型不仅能较好描述沥青混合料在动态循环荷载作用下的损伤本构关系,还能体现加载频率、环境温度及荷载水平等因素对应力-应变关系的影响;模型参数意义明确、规律性强,值得进一步研究和推广.

不同加载方式下混凝土梁损伤演化规律研究

为了研究不同加载方式对梁损伤的影响规律,对普通钢筋混凝土梁进行了单点、两点对称加载试验。通过收集加载过程中的声发射参数和力学参数,从声发射能量角度描述梁破坏的3个阶段,基于声发射速率过程理论建立普通钢筋混凝土梁的损伤演化模型。结果表明:应力水平-能量曲线3个阶段特征分明,各阶段间的突变点可作为预警的“前兆点”。建立的应力水平和声发射累积能量之间的函数关系式用于实时定量评价材料破坏程度具有较高精度,并且得出声发射累积能量与损伤变量具有线性关系,可利用声发射能量参数为工程中结构健康评测提供参考。

基于Weibull分布的冻融循环下纤维混凝土损伤模型

对聚丙烯纤维混凝土(PFRC)、钢纤维混凝土(SFRC)、普通混凝土(PC)进行冻融循环试验,经过冻融循环后,得到PFRC、SFRC、PC的相对动弹性模量、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度,分析冻融循环过程中PFRC、SFRC、PC的冻融损伤率、强度衰减率的演化规律和冻融损伤机理,提出基于Weibull分布的纤维混凝土冻融损伤演化模型,并与推导出的力学性能衰减模型联立得到PFRC、SFRC、PC的相对抗压强度、相对抗拉强度与冻融损伤度的演化模型。结果表明,纤维的掺入能有效减小混凝土的强度衰减和冻融损伤,基于Weibull分布建立的两种冻融损伤模型,可以分别通过冻融循环次数、相对强度预测PFRC、SFRC、PC的冻融损伤度。

基于损伤力学模型的概率疲劳寿命预测方法

基于金属结构危险点复杂应力状态下的疲劳损伤演化模型,利用材料的p-S^N曲线等对其部分损伤参数和材料参数进行概率化处理,提出了一种通过随机抽样计算危险点概率裂纹形成寿命的方法,讨论了损伤演化模型参数的基本概率特性以及相关性概念,采用拉丁超立方抽样方法实现了概率损伤参数的随机抽样,由此进行不同采样点的疲劳损伤累积,继而得到危险点的疲劳裂纹形成寿命。将损伤演化模型以UMAT子程序的形式嵌入ABAQUS软件系统中,给定结构模型及疲劳加载历程,即可用于复杂结构的疲劳寿命分析。结合铝合金2024-T3直耳片的疲劳试验,对其危险点的疲劳损伤及裂纹形成寿命概率分布进行了数值计算,初步表明了新算法模型的合理性。

基于损伤分区与统一强度理论的岩石本构模型

自然界中岩石内部均存在一定程度的损伤,损伤的持续演化过程对岩体的稳定性极为不利。为了研究岩石的损伤演化过程,将岩石分为未损伤部分、闭合裂隙部分与张开裂隙部分,采用统一强度理论与统计损伤理论分析岩石微元强度的分布,通过分析变形协调条件下各部分的应力-应变特征得到岩石的损伤本构模型与损伤演化模型,与巴东组紫红色泥岩三轴压缩试验结果对比验证后将模型应用于某反倾层状岩质边坡的破坏深度分析。分析结果表明:提出的损伤本构模型可以较好地模拟巴东组紫红色泥岩的三轴压缩应力-应变特性,提出的损伤演化模型可以较好地分析巴东组紫红色泥岩的损伤演化过程,且模型参数具有明确的物理意义;此外,根据基于损伤演化模型的反倾层状岩质边坡破坏深度修正模型计算得到的结果偏保守,用于岩土工程设计偏安全。

2.5D-C/SiC复合材料的拉伸损伤研究

通过2.5D—C/SiC陶瓷基复合材料的面内拉伸试验,研究了材料在拉伸载荷作用下的力学性能和损伤演化过程,建立了2.5D—C/SiC复合材料的应力型和应变型拉伸损伤演化模型.结果表明,材料沿纵向和横向的拉伸应力-应变曲线相似,损伤过程基本相同.对应于拉伸应力应变曲线的三个特征切线模量,面内拉伸的损伤演化过程可以分为三个阶段:初始损伤阶段、损伤加速阶段和损伤减缓阶段.由应力型损伤演化模型可以推导出三个损伤阶段的两个特征应力,其中第一特征应力可以作为工程比例极限的参考值.