基于耗散能密度的疲劳裂纹扩展规律研究

在疲劳裂纹扩展过程中,裂纹尖端的能量耗散决定了裂纹扩展能力。研究基于耗散能密度的裂纹扩展规律更有物理意义。耗散能密度是材料疲劳性能的一种表征参数,实验测得了镍基高温合金GH4169材料室温和450℃高温的耗散能密度与控制应力幅值的关系曲线。参照Paris公式的形式提出了基于耗散能密度的裂纹扩展方程,并通过疲劳裂纹扩展试验测量了GH4169材料在室温和450℃高温下的裂纹扩展速率与耗散能密度的关系。试验结果的总体趋势与所提出的扩展方程一致。

基于耗散能密度的钢筋混凝土梁桥疲劳剩余寿命研究

我国部分早期建设桥梁服役年限已经超过20 a,随着车流量逐年增加钢筋混凝土桥梁疲劳损伤问题日益突显。主要预测钢筋混凝土桥梁剩余寿命,首先基于耗散能密度角度针对桥梁疲劳原理加以分析;然后结合能量平衡方程及傅里叶定律推倒得出了疲劳损伤能耗控制方程;最后对算例桥梁主要杆件进行了疲劳损伤分析得到杆件201与杆件202测点疲劳损伤值最大为10.92E-15与9.20E-15,根据ADAMS软件仿真计算得出结论在车辆密集运行状态下受压区钢筋混凝土应力幅集中在1 MPa以下,按照1.2万辆车日通行量前提下计算得到一般运营状态下桥梁疲劳寿命为60 a,密集状态下疲劳寿命为10 a。

疲劳过程中的能量耗散和疲劳寿命的预测

试验测量了A3钢和铝合金LY12CZ在疲劳过程中的耗散能密度与应力幅的关系和破坏时的临界累积耗散能密度。通过一系列不同加载频率和应力比的比较试验,结果表明耗散能密度与应力幅的关系和临界累积耗散能密度在不同加载频率下变化不大,但是受应力比的影响较大。本文还建立了临界累积耗散能密度疲劳寿命预测判据,并用此判据进行了带中心孔板条构件的疲劳寿命预测,取得了较好的结果(误差在25%以内)。这种方法对于构件局部的疲劳主要由一个方向应力控制的工程问题,使用简便有效。

冲击荷载下类煤岩组合体能量耗散与破碎特性分析

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)对类煤、岩单体及组合体试件进行冲击压缩试验,分析了试件能量耗散与破碎块度特征,通过对组合体煤、岩两组分碎块分别筛分,得到了各自的平均破碎块度,并依据单体试件平均破碎块度及破碎耗能密度与入射能之间的关系,获得了两种组分的破碎耗能密度,探究了两者吸能特性。结果表明:结合面的存在使得应力脉冲在组合体试件与压杆间传播做功过程更复杂,试件耗散能变化与煤单体接近,而小于波阻抗较大的岩单体。煤组分由于受到岩组分变形抑制作用而能量集聚程度更高,破碎耗能密度与破碎程度大于同等冲击强度下的煤单体,破碎过程岩组分的能量转移亦加剧了煤组分的破碎程度;相反,岩组分破碎耗能密度与破碎程度相比岩单体则偏小。复合煤岩体能量集聚程度更高,发生动力灾害所需的能量更低,在对复合煤岩巷道冲击地压和瓦斯突出动力灾害机理认识上及采取防治措施时应注意此特性。

能量耗散模拟分析预应力混凝土梁疲劳寿命

为了准确预测预应力钢筋混凝土梁疲劳寿命,提出了一种基于能量耗散理论预测预应力钢筋混凝土梁疲劳寿命的方法.利用ANSYS软件,针对5片不同动态预应力度的预应力钢筋混凝土梁进行了疲劳模拟,采用分段线性拟合模型模拟并分析了循环比和耗散能密度之间的关系.研究结果表明:预应力混凝土梁在循环荷载作用下,耗散能密度的变化呈现明显的“三阶段”变化规律;动态预应力度低的混凝土梁,在疲劳开始阶段耗散能密度衰减更加迅速且更快到达疲劳稳定阶段,且疲劳稳定阶段持续时间更长.

循环载荷下应变率对有机玻璃耗散能演化规律的影响

为研究有机玻璃(polymethyl methacrylate,PMMA)耗散能随预应变增加的演化规律及其与应变率的关系,进行了不同应变率下的循环加卸载压缩试验,分析了相应的应力应变曲线;讨论了不同应变率下每次循环耗散能密度的变化规律,提出了一个幂指数模型,并在这些耗散能密度的基础上拟合该模型的参数,研究拟合参数的变化趋势及其影响因素。结果表明,预应变与黏性呈负相关,应变率与应变软化呈正相关。拟合曲线与试验数据吻合良好,该模型可以有效预测有机玻璃耗散能的变化趋势。

冲击荷载作用下软硬互层类岩石力学特性

基于三峡库区砂泥岩互层岩体的实测数据,采用相似材料以分层浇筑的方法制作软硬互层类岩石试样,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,探究不同冲击速度下,不同厚度比和岩层组合方式岩样的应力波传播特性、力学性能、能量耗散特征及分形特征。研究结果表明:受波阻抗匹配效果影响,透射波率随着硬岩体积占比增大而增大;透射波率越大的岩样,其破碎时的耗散能密度越大;随着冲击速度增大,各岩样透射波率先增大后减小,动态抗压强度呈近线性增长的规律,其破坏程度逐渐加剧;在冲击荷载作用下,强度较大的类砂岩在层间面力作用下易产生沿加载方向的张拉破坏,而强度较小的类泥岩易产生与沿加载方向呈一定倾角的剪切破坏;互层岩石软岩体积占比越大,其碎块分形维数随耗散能密度增加而增加的趋势越缓。对于互层岩体的破岩施工,应选在软岩体积占比多、硬岩在外表层且交界面数量少的位置,并根据软硬岩占比情况,应该选择合适的炸药量或掘进速度,以达到更好的破岩效果。

HTPB推进剂热力耦合老化力学性能研究

为了研究预应变对复合固体推进剂老化性能的影响,针对HTPB复合固体推进剂开展了70℃热力耦合加速老化试验,通过单轴拉伸力学性能测试及拉伸断面扫描电镜试验研究了不同预应变作用下HTPB推进剂的老化性能。结果表明:在试验预应变范围内(≤15%),无论预应变水平多大,随老化时间的延长,粘合剂基体的氧化交联反应是HTPB推进剂的主要老化机理;在相同老化时间,预应变对HTPB推进剂力学性能的影响存在一个损伤阈值,当预应变超过该阈值时,拉伸断面中AP颗粒/粘合剂基体界面"脱湿"及粘合剂基体撕裂损伤现象明显。

裂隙倾角对岩体能量演化规律影响研究

准确预测岩体失稳破坏可为岩体支护设计提供依据。通过单轴循环加卸荷试验探究裂隙倾角在岩体各受荷过程中对能量演化规律的影响,揭示岩体变形破坏过程中能量演化的本质特征。研究表明:加荷初期,弹性能比例为40%～45%,中期为55%左右,临近破坏时为60%～65%,能量比例变化速率和裂隙倾角关系密切。能量密度随荷载增加而增加,裂隙倾角影响能量密度的变化速度;能量密度比例趋势转折越明显,表明岩体越易破坏;耗散能密度增减过程与岩石受荷起裂破坏过程拟合程度较高;裂隙岩体对能量的吸收能力随裂隙倾角的增长先增加后减小。裂隙倾角对能量演化的影响呈非线性,不同受荷阶段的能量关系存在显著特征,此特征能够较好预警岩体失稳破坏。

高应力幅循环历史对U78CrV钢棘轮行为的影响

U78CrV钢轨广泛应用于我国重载铁路,在服役过程中承受具有不同循环历史的滚动接触疲劳载荷,由此诱发的棘轮行为将加剧钢轨的疲劳失效。首先开展低应力幅和高应力幅下的非对称应力控制循环实验,随后进行具有不同循环周次高应力幅循环历史的低应力幅值循环实验,揭示应力幅和应力循环历史对U78CrV钢棘轮行为的影响。实验结果显示,U78CrV钢在非对称应力循环载荷作用下表现出显著的棘轮行为,应力幅的增加会提高棘轮应变和棘轮应变演化率;预加载的高应力幅循环周次越高,随后的低应力幅下的棘轮行为越明显;不同循环周次的高应力幅循环历史降低了低应力幅循环的棘轮应变率,但增加了耗散能密度;不同高应力幅循环历史下的低应力循环疲劳寿命与失效棘轮应变和稳定耗散能密度密切相关,随着失效棘轮应变和稳定耗散能密度的增加而降低。基于稳定耗散能密度建立了幂律函数,可以合理预测高应力幅循环历史的低应力循环疲劳寿命。研究结果对U78CrV钢轨的疲劳失效评估具有重要的参考价值。

定应变贮存条件下HTPB推进剂微损伤特性研究

针对定应变贮存条件下HTPB推进剂的微损伤特性,采用临界“脱湿”应变值表征推进剂界面的微损伤。通过开展HTPB推进剂定应变加速老化试验,得到了试样的应力-应变曲线,拉伸断面形貌及耗散能密度的变化趋势。结果表明:宏观上9%以下的定应变不会引起推进剂明显的“脱湿”现象,但仍会引起界面的微损伤;定应变对推进剂界面的微损伤可用临界“脱湿”应变值表征,其微损伤程度与贮存时间及定应变水平基本符合线性规律;在9%以下定应变作用下,贮存温度是影响HTPB推进剂基体与固体填料界面的黏接性能的主要因素,且存在温度阈值,当温度高于此阈值时,推进剂耗散能密度整体下降较快。

岩桥倾角对岩体能量演化规律影响研究

天然岩体内部常含有各种分布形式和尺寸长度的裂隙,裂隙对岩体破坏模式和强度有重要的影响,从能量角度研究裂隙对岩石压缩破坏模式的影响可以反映裂隙岩体变形破坏的本质特征从而为岩体设计施工提供依据。因此制备了不同裂隙组合形式的相似材料,通过单轴循环加卸荷试验进行加载,探究了双节理裂隙岩桥倾角(裂隙搭接程度)在岩体各受荷阶段中对能量演化规律的影响,揭示了不同岩桥倾角下岩石弹性能和耗散能演化及分配规律。研究表明:随着岩桥倾角的不断增加,即裂隙搭接长度的增加,最终积聚弹性能密度在逐渐减小,易于形成宏观裂纹;耗散能比例曲线的明显转折是岩石失稳破坏的前兆。随着岩桥倾角的变缓,耗散能比例曲线增幅越陡,因此破坏越明显;岩桥倾角越小即裂隙水平距离越远,裂纹发育速度越快。

不同应力上限和加载速率下的黄砂岩疲劳特性研究

为研究黄砂岩单轴疲劳加载的特性,开展了不同应力上限和加载速率下的单轴疲劳荷载试验。试验结果表明:黄砂岩的疲劳试验曲线受到单轴压缩应力—应变曲线的控制,疲劳极限变形与峰后对应变形一致;砂岩疲劳过程的不可逆变形和耗散能密度均具有三阶段演化规律,依据倒“S”型损伤模型,验证了黄砂岩疲劳损伤三阶段演化规律;分析认为三阶段规律的本质是砂岩的塑性变形和内部孔隙微裂纹生成以及扩展速度的不同所呈现的结果。研究表明应力上限和加载速率对疲劳寿命有显著影响,根据所得应力—寿命公式,可以估计砂岩在一定条件下的疲劳寿命。

应变率对有机玻璃在单调压缩下失效的影响

文章利用电子万能实验机对有机玻璃在不同应变率下做了单轴压缩实验,验证了有机玻璃这种典型粘弹性材料的弹性模量和屈服强度对应变率的敏感性,并发现其在单轴压缩下开裂失效对应变率具有正相关性。并引入耗散能密度分析了引起这种率相关性的原因。