高周疲劳的损伤-硬化模型

两级循环加载条件下 ,材料的剩余寿命强烈地依赖于加载历史。究其原因 ,不同加载历史将引起材料的微结构发生不同的变化 ,使得材料的硬化效果和变形行为表现出明显的差异 ,从而影响了损伤的演化过程。本文引入硬化状态变量来表征加载历史对疲劳损伤演化过程的影响。通过对两级循环加载下损伤演化规律和剩余寿命的研究 ,认为在两级 (或多级 )加载条件下 ,材料的损伤演化和剩余寿命强烈地依赖于加载历史造成的损伤和硬化状态。

分级加载蠕变全过程岩石硬化及损伤机制

基于红砂岩单轴分级加载蠕变试验,结合对试验数据的整理与分析,研究红砂岩蠕变特性,探讨岩石分级加载过程中的硬化-损伤机制。研究结果表明:低应力水平阶段,瞬时变形模量逐级增大,红砂岩出现硬化现象,瞬时应变由0.037 2%减小到0.030 7%,岩石力学性质以硬化为主;中等应力水平阶段,硬化效应增强的同时损伤也在发展,硬化和损伤相互竞争,不断发展;高应力水平阶段,粘滞系数减小,导致损伤扩散速率增大,蠕变应变由0.013%增加到0.021 8%,岩石的力学性质以损伤软化为主。以此为基础,在广义Kelvin模型中引入硬化函数和损伤变量,建立能反映红砂岩硬化-损伤机制的模型,并与红砂岩的试验曲线进行拟合,两者吻合较好。

改进的岩石非线性黏弹塑性蠕变模型及其硬化黏滞系数的修正

基于蠕变过程中的硬化-损伤机制,在对江西东乡铜矿砂质页岩单轴循环加卸载蠕变试验数据分析过程中,提出硬化-损伤效应的时效机制,并基于此对高应力条件下衰减蠕变阶段的黏滞系数(硬化黏滞系数)进行修正;结合定常蠕变阶段的损伤蠕变机制,提出高应力条件下岩石损伤效应的累积-扩散机理,并据此引入以累积损伤蠕变量为判定准则的加速蠕变触发模型(非线性蠕变体)描述岩石的不稳定蠕变特征。在此基础上,引入瞬时塑性元件,与虎克体和黏弹塑性体串联,建立了一个能够完整描述岩石蠕变全过程的非线性黏弹塑性蠕变模型。试验曲线与模型曲线较吻合,说明对高应力下硬化黏滞系数修正的必要性,改进非线性蠕变体的正确性与合理性。

不同加载速率无烟煤蠕变特性及能量演化规律

动压影响下蠕变煤体的力学特性对复采区遗留煤柱的稳定性及其控制具有重要的工程意义。通过开展不同加载速率条件下无烟煤的分级加载蠕变和加卸载试验,对无烟煤蠕变过程的应变特征、弹性模量及蠕变速率演化特征进行研究,并基于无烟煤的线型储能规律表征了蠕变过程的能量耗散规律,进一步阐释了无烟煤蠕变“硬化-损伤”机制。结果表明:加载速率小于0.04 mm/s时,无烟煤试件的轴向应变表现出明显的瞬时特性,但径向应变表现出明显的滞后性和蠕变性;随着加载速率的增加,试样在加载阶段的轴向硬化及径向扩容现象显著增强,蠕变速率衰减特征越显著。试样的实际屈服应力与加载速率满足线性下降关系,其储能系数、蠕变极限弹性能随加载速率增加均呈现先增加后趋于稳定的趋势;各应力水平的能量耗散率演化呈现“降低—稳定—增加”的趋势,分别对应试件的压密、弹性和屈服破坏阶段。从能量耗散角度分析无烟煤试样的“硬化-损伤”机制:硬化及损伤效应作用于蠕变全过程,试样在弹性阶段硬化及损伤作用效果相当导致试样的能量耗散率稳定,试样进入屈服破坏阶段后损伤效应占主导地位导致能量耗散率快速增加;试样硬化及损伤效应均随加载速率的增大逐渐显著,加载速率小于0.04 mm/s时,试样硬化效应强于损伤效应导致试样极限弹性能快速增加;加载速率增大导致的屈服应力降低会加速试样的损伤演化,当加载速率大于0.04 mm/s后,试样的损伤效应显著增强,硬化及损伤相互制约导致试样极限弹性能趋于稳定。