复合材料层合结构破坏机理及压溃吸能特性分析

针对纤维增强复合材料层合试验样件,对[90]_(16)和[0]_(16)试验样件分别进行拉伸、压缩试验,对[±45]_(4s)试验样件进行剪切试验,分析其破坏模式,通过SEM扫描电镜观察试验样件断口微观形貌,揭示其细观破坏机理。针对纤维增强复合材料层合薄壁结构,对[±45/0/0/90/0]_s圆管、[0/90]_(3s)圆管、[0/90]_(3s)方管和[±45]_(3s)方管进行准静态轴向压溃试验,分析其宏观破坏模式及吸能特性。结果表明:宏观破坏模式是多种细观破坏机理共同作用的结果,包含纤维断裂、基体变形与开裂、层间与层内裂纹扩展等;[±45/0/0/90/0]s圆管为横向剪切破坏模式,比吸能最大;[0/90]_(3s)圆管为层束弯曲失效模式,比吸能次之;[0/90]_(3s)方管为层束弯曲失效模式,比吸能第三大;[±45]_(3s)方管为局部屈曲失效模式,比吸能最小。不同铺层方式复合材料层合薄壁圆管和方管压溃破坏失效模式差异较大,比吸能差距也较大,通过合理设计可以改变复合材料层合薄壁结构破坏模式,改进其吸能特性。

循环加载强化作用对花岗岩细观破坏影响的离散元研究

基于室内单轴压缩试验结果,采用离散元方法建立等效晶质模型(GBM).根据室内循环加卸载试验结果改进GBM模型晶内、晶间接触模型,建立能够准确表征循环加载强化作用的GBM强化模型,借此GBM强化模型揭示循环加载强化作用对花岗岩单轴压缩过程细观破坏的影响机制.结果表明,在峰前应力阶段,自锁效应造成的应力分布不同,导致晶内/晶间接触出现以张拉为主的裂纹,石英、长石依次成为承载主体;在峰后应力阶段,前期强化作用所积蓄的剪切能量得到释放,导致长石出现密集的晶内裂纹,是试块失稳的主要标志;长石周边矿物差异性失效引起长石矿物破坏路径改变,造成试块峰值应力随强化系数增大呈现波动性增长.构建的GBM强化模型为研究循环加载强化作用对脆性岩石不同加载路径细观破坏机制提供新方法.

高应力强卸荷作用下多组裂隙岩体宏细观力学行为

以深部重大工程灾害(矿井、水利水电工程)为研究背景,结合我国深部地下工程围岩的复杂性,围绕深部强卸荷作用下裂隙岩体和围岩力学行为与演化规律的关键科学问题,开展了高应力强卸荷作用下多组裂隙岩体宏细观力学行为研究。(1)深部岩体内部裂隙的结构及几何特征复杂,提出了描述岩体多组裂隙的分形构造张量表征方法,它可表征岩体内部随机分布裂隙的位置、大小、形状、取向及粗糙度(分形维数),并且具有明确的物理意义;基于工业CT及体视化原理验证了构造张量表征方法的有效性。(2)揭示了高应力强卸荷条件下深部裂隙岩体的宏细观变形机理:常规卸载条件下,岩石变形破坏过程中的各阶段(弹性变形、屈服、软化等)转折分明,峰残差较大,塑性特征减弱而脆性特征增强;应力转移卸荷条件下,岩石侧向应变呈加速变形迹象,强烈的扩容最终导致岩石破坏。卸载实验破坏差应力介于单轴和常规三轴实验之间;常规卸载(方案III)较高应力转移卸荷(方案II)的破坏差应力偏高,因此现有的工程设计必须重新考虑高应力转移卸荷影响。(3)揭示了自然多组裂隙大理岩的破坏机理及强度特性差异:含裂隙岩石的破坏特征,主要受裂隙结构的控制,提出了两个指标Rd和λ,其中Rd用于描述大粗糙尺度的影响;而λ考虑了剪力方向的影响;与完整岩石相比,含裂隙大理岩的破坏具有显著的局部化渐进特征,且突发性更强;在统计意义上,单轴抗压强度σ单一型>σ平行型>σ交叉型>σ混合型,并且单一型、平行型、交叉型和混合型自然裂隙岩石的单轴抗压强度分别为完整岩石的0.72倍、0.69倍、0.59倍和0.46倍。(4)基于岩石的非线性破坏行为,从细观力学角度出发,采用拉伸双线性应变软化本构模型,通过应变能密度理论与能量耗散原理建立单元破坏的判断准则,模拟了岩石损伤破坏的峰前-峰后全过程;建立了多组贯穿裂隙岩体变形和随机分布贯穿裂隙岩体变形的本构模型,给出两种情况下裂隙岩体的等效弹性模量和等效泊松比,研究了岩块和裂隙的材料性质和几何性质对岩体等效弹性模量和等效泊松比的影响。

基于离散元的钢筋混凝土梁极限承载力研究

通过PFC2D建立考虑骨料级配的钢筋混凝土梁离散元细观数值模型,开展钢筋混凝土梁极限承载力的研究。混凝土标准棱柱单轴压缩模拟验证了混凝土单元细观参数的准确性。通过修改平行黏结模型获得了适用于钢筋模拟的平行-强化黏结接触模型,钢筋单轴拉伸模拟验证了钢筋单元细观参数的准确性。建立了无缺口钢筋混凝土梁离散元数值模型,在此基础上生成预制缺口钢筋混凝土梁数值模型,根据缺口位置及倾角分为9种工况,分析了各工况下梁的裂缝扩展规律及极限承载力。结果表明:缺口位置对裂缝的扩展过程影响较大,一般起裂位置均位于缺口顶端;缺口倾角仅对裂缝扩展初期有影响,后期裂缝依然会沿竖向发展;缺口梁极限承载力约为无缺口梁极限承载力的95%~98%。