硐室岩壁过渡型破坏模式及最大线应变理论分析研究

地下硐室所在的岩体应力条件复杂,破坏模式随着与开挖面距离的不同发生转变,开挖所引起的原位脆性岩体应力集中会导致平行于自由面的局部损伤演化,称为表面不稳定性。而在深层条件下,低强度硐室岩壁的表面不稳定性及过渡型破坏模式很常见。针对目前实验室中圆柱形试样在单轴压缩试验中试样受力不符合岩壁单元实际应力状态的局限性,研发一款可模拟硐室岩壁过渡式破坏的试验测试仪。对长方体砂岩、花岗岩试样进行单临空面双向应力加载试验,分析岩石试样的裂纹发展、应力应变规律和破坏模式过渡转化。基于最大线应变理论及胡克定律提出最大线应变强度分析公式,建立基于最大线应变理论的岩壁表面不稳定性破坏的试验测试和分析方法,并且同Mohr-Coulomb准则及Hoek-Brown强度理论进行比较,通过试验数据验证最大线应变理论解释硐室岩壁过渡型破坏模式的适用性。

基于应变理论在采空区管道失效分析中的应用

长输油气管道下伏采空区是一类复杂的管-土耦合作用问题,由于采空塌陷作用造成的地表变形给管道安全评价带来了特殊的困难。针对采空区空间位置的变化和不同的开采工况,采用基于应变理论的Ramberg-Osgood本构关系,建立采空塌陷区油气管道的有限元仿真计算模型,分析不同开采条件下管道的变形规律,讨论采用基于应变和基于应力两种不同理论对采空塌陷区管道失效判据的影响。结果表明:管体应变与采深H呈负相关,与采厚M呈正相关;采深采厚比H/M一定时,采深对管体应变的影响更大,多层重复采动方式更容易引起管体发生较大的变形;采用基于应变设计理论作为管道失效判据,可充分发挥管道的抗大变形能力。

基于应变梯度理论的岩石试件剪切破坏失稳判据

研究了由于剪切局部化而引起的岩样系统的失稳判据。将剪切带比拟为“试件”,而带外弹性体则被比拟为“试验机”。岩样系统是否将发生剪切失稳破坏,关键取决于:岩样高度、剪切弹性模量、剪切降模量、岩石材料内部长度参数及剪切带倾角。一旦岩样系统满足Ⅱ类变形的条件,则岩样系统必发生剪切失稳破坏。采用笔者提出的理论公式,可以用来分析和预测矿柱岩爆的倾向性。根据剪切应变梯度塑性理论来分析岩样单轴压缩剪切破坏问题的优越性在于:不仅考虑了局部化带的宽度,得到了局部化带内应变的分布规律,而且局部化带就是剪切带,比较符合岩样单轴压缩破坏的实际情况。

基于应变传递理论的光纤传感器优化设计

联系传感器应用的作用机理,根据变形传递方式的不同,对工程中常用的光纤传感器进行了系统的归类分析。基于应变传递理论建立了应变传递系数与测量允许误差的关系,并以此为优化控制方程得到了满足工程测试精度要求的传感器最佳取值,给出了各类传感器具体的优化设计方法及优先设计指标。研究结果表明:基于应变传递理论的优化设计方法较适用于依靠界面剪应力传递变形的光纤传感器,其优先设计指标依次为粘贴(感知)长度、层间粘结强度、保护层弹性模量和半径、粘贴层厚度;端部扩径型传感器的优化设计则因其应变传递系数能较准确和便利地通过标定试验获取而不依赖应变传递理论,且无明显的优先设计指标。本文充分考虑了传感器工程应用的实际状态,以测试准确性为核心,从力学作用机理角度对传感器进行了较全面和系统的分析,其研究结果可以用于指导工程化光纤传感器的应用设计和标定测试。

应变梯度理论进展

应变梯度理论是近10年来为解释材料在微米尺度下的尺寸效应现象而发展起来的一种新理论.首先综述了应变梯度理论近年的发展及其对材料力学行为研究方面的进展.其次主要介绍了不含高阶应力的一类应变梯度理论及其应用;最后对应变梯度理论的发展做了展望.

基于应变梯度理论的正交微车削中最小切削厚度预测

最小切削厚度是微切削中产生切屑必须超过的切削厚度的临界值。基于微切削中切屑形成机理提出了最小切削厚度的预测模型,并用正交微切削实验进行验证,采用非线性拟合方法处理切屑厚度数据,发现切屑厚度与进给量呈指数关系,认为当切屑厚度为零时的正交微切削进给量值即为最小切削厚度。实验结果验证了预测模型的正确性,并发现切削刃半径增大时,最小切削厚度增大。

基于简化的应变梯度理论下Kirchhoff板模型边值问题的提法及其应用

考虑应变梯度和速度梯度的影响,建立薄板控制微分方程及给出其边值问题的提法,修正了前人给出的薄板角点条件.采用Levy法,给出受分布力作用下简支板的挠度及自由振动频率的解析解.通过与文献中分子动力学数据对比,验证了该文模型的有效性并提出校核材料参数的一种方法.研究结果表明,增大弹性地基和应变梯度参数可以有效提高板的等效刚度,而速度梯度参数则相反.该文提出的板的边值问题为研究薄板在复杂支撑边界及外荷载等条件提供了理论依据.同时,有望为其有限元法、有限差分法和基于能量原理的Galerkin法等数值方法提供理论依据.

基于应变-寿命理论的曲轴疲劳分析研究

基于曲轴的的弯曲疲劳试验载荷对曲轴进行有限元模拟,并运用应变-寿命理论预测了曲轴在弯曲疲劳试验条件下的疲劳寿命。为保证计算的准确性,对曲轴的淬火残余应力进行了测量,并将测试结果应用于疲劳寿命计算中。计算结果与试验结果的对比表明:计算寿命大多数点落在了试验寿命3倍的分散带内。针对曲轴存在较高的淬火残余压应力的受力特点,对现有的计算模型进行了有针对性的修正,修正模型的计算结果基本都落在了试验数据2倍的分散带内。

基于剪切应变梯度塑性理论的断层岩爆失稳判据

应用应变梯度塑性理论及能量准则,提出了断层岩爆的失稳判据的解析解。断层带被视为一维剪切问题,断层带尺寸由岩石内部长度确定。断层带的一半及带外一侧的弹性岩石被视为一个系统。得到了依赖于断层带尺寸的断层带的耗散势能及峰后刚度表达式。应用能量准则,得到了断层带-围岩系统的失稳判据,它不仅与岩石材料的本构参数有关,也与岩石结构的几何尺寸有关,说明系统的稳定性具有尺寸效应。断层岩爆失稳判据与矿柱岩爆失稳判据具有类似性。目前的断层岩爆失稳判据的优越性在于:断层带的宽度、断层带的耗散势能、峰后刚度及失稳判据等都可以解析表示;而且,断层带内部具有不均匀的(塑性)剪切应变,这一点与有关的实际观测结果相符合。

一种基于应变能理论的加速蠕变本构模型

采用连续介质应变能理论分析蠕变宏观力学行为突变的过程,定义临界应变能密度值作为预测加速蠕变发生时刻的控制参数,采用西原正夫元件模型与Perzyna黏塑性理论相结合,考虑应力状态对加速蠕变的影响,用过屈服应力比函数反映加速阶段蠕变应变速率变化,建立了一种能描述蠕变3个阶段全过程的加速蠕变本构模型。该方法确定的加速蠕变时刻不仅能反映累积蠕变应变量的影响,而且能有效反映应力状态对加速蠕变的影响,为实现预测加速蠕变提供了可能,并且确定本构模型参数所需试验数量大大减少,为实际运用提供了方便。最后结合三轴蠕变试验,采用D-P屈服准则结合塑性流动法则,分析了不同流动法则对预测加速蠕变发生时刻的影响规律,数值模拟结果与试验数据基本吻合。

基于Cosserat理论的应变梯度非协调数值研究

依据Cosserat连续介质理论下非协调离散体系的能量相容性,导出了非协调位移的一个合理约束条件。根据这个条件构造了一个应变梯度平面4节点非协调单元。计算结果表明,该单元对可压缩和不可压缩状态的Cosserat类型的应变梯度材料均给出合理的数值结果,再现了材料的应变梯度效应。

基于应变梯度理论的韧性剪切带理论研究

地质领域中存在的大量事实都可以归为应变局部化范畴 ,韧性剪切带是剪切应变局部化带。本文首次应用应变梯度塑性理论对韧性剪切带进行了理论分析。获得了韧性剪切带内部局部剪应变 (率 )分布规律 ,剪切带错动总位移及剪切带法向位移的理论表达式 ,以及韧性剪切带内部体积应变 (率 )和孔隙率分布规律。剪应变局部化导致了体积应变和孔隙率局部化。随着应变软化的加剧 ,剪应变、体积应变和孔隙率局部化加剧 ;随着应力率绝对值的增加 ,剪应变率、体积应变率集中程度增强。

应变梯度塑性理论下超薄梁弯曲中尺度效应的数值研究

构造了一个在物理空间二次完备的应变梯度非协调单元,在验证了单元数值可靠性后,采用该单元详细研究了均布载荷作用下超薄梁弯曲中的尺度效应现象。计算结果与实验观测一致,即随着梁厚度的减小,其尺度效应增强。并发现在平面应力状态下,梁的梯度效应略强于平面应变状态。最后指出,尽管梁越薄,其梯度效应越强,但梁抗弯刚度仍随厚度的增加而增大。

能量非局部模型和新的应变梯度理论

提出一种新的基于能量非局部模型的应变梯度理论,并应用此理论对多晶铜以及薄膜基底的微压痕硬度进行理论预测和数值分析.首先,提出了能量非局部模型,并由此模型,得出新应变梯度理论的本构关系;其次,由变分原理,得出相应的有限元公式;再次,给出了微压痕硬度的有限元分析方法;最后,将该理论预测结果与经典理论预测结果以及实验结果进行了对比.结果表明,计算结果与实验结果相符;而经典理论的预测结果远低于实验结果.

关于两种二阶应变梯度理论

对常见的两种应变梯度理论进行了深入的理论分析,比较了它们在公式推导、能量表达、物理解释和应用领域方面的差异.选择钢筋拉拔弹性阶段和超薄悬臂梁受压弯曲两个典型的算例,采用可以通过C^(0-1)分片检验的18自由度应变梯度平面三角形单元和轴对称三角形单元,通过数值计算比较了两种理论在描述细观力学性能方面的差异.

轴对称弹性应变梯度理论公式推导及有限元实现

用张量运算推导了弹性应变梯度轴对称问题的基本公式。建立了应变梯度轴对称不协调元的弱连续条件,进一步建立了满足弱连续条件的应变梯度轴对称18-DOF三角形单元(BCIZ+ART9),其中BCIZ满足线性应变C0连续,用于计算应变ε;ART9满足常曲率C1弱连续,用于计算应变梯度η。数值结果表明该单元通过C0-1分片检验并能体现材料的尺度效应。

基于应变梯度塑性理论的微塑性成形力学性能

不同厚度的T2紫铜试样的单向拉伸、微硬度和微弯曲试验表明,材料的力学行为与内禀的材料特征参数相关:厚度为30μm的板材,其拉伸强度比厚度为150μm的板材提高了28%,平均晶粒尺寸D为50μm的细晶,其拉伸强度比平均晶粒尺寸D为120μm的粗晶拉伸强度提高了33%,拉伸时呈现出"越小越强"的特征;当压痕深度与板材厚度的比值大于0.2时,压入深度越大,压痕硬度越大,呈现出"越大越硬"的现象;回弹角随板料厚度的减小而增大,当材料厚度小于一定值(0.06mm)时,材料的应变梯度硬化效应使得回弹角随板料厚度的变化更为剧烈,这种变化与采用应变梯度塑性理论预测的结果基本一致。

基于应变梯度理论的微尺度蜂窝等效模量计算方法

本文提出了一种新的能够计及尺度效应的微纳米蜂窝等效模量的计算方法。将一种单参数应变梯度理论引入到本构方程当中,并基于能量等效原理推导了蜂窝面内等效模量地计算公式。算例分析表明,本文方法能够有效地计及尺度效应对蜂窝等效模量的影响。尺度效应与胞壁厚度和长度的值都有关,当胞壁厚度较小时,尺度效应显著,本文方法预测的模量会明显高于传统方法;而当胞壁厚度较大时,尺度效应变得微弱乃至可以忽略不计。但如果胞壁的长度/厚度比很大,则面内等效模量会趋近于0,此时是否考虑尺度效应意义不大。

应变梯度理论有限元:C^(0-1)分片检验及其变分基础

基于细观有限元弹性应变梯度理论,首次提出应变梯度有限元的C0-1分片检验条件及其变分基础和一种构造应变梯度单元的方法.与常规的C0分片检验和C1分片检验不同,C0-1分片检验要求检验函数为满足平衡方程的二次函数,并同时通过线性平面应力C0分片检验和应变梯度常曲率的C1分片检验.进一步提出一个平面18-DOF三角形应变梯度单元(RCT9+RT9),算例表明该单元通过C0-1分片检验,无伪零能模式,并有较高的精度.

微结构的应变梯度塑性理论及在岩体中的应用

就近年来发展起来的微结构的应变梯度塑性理论产生﹑发展及其应用进行了回顾,并对其中主要的三种应变梯度塑性理论:CSSG及MSG理论进行了简要的介绍,对该理论在岩体中的应用给出了简介。