基于黏弹性损伤模型的水工混凝土破坏过程能量演化特征研究

为研究北江支流连江英德水利枢纽水工混凝土力学特征,采用室内试验方法开展了混凝土力学试验,并结合黏弹性损伤模型进行混凝土加载破坏过程能量演化特征分析。试验结果表明,温度与混凝土承载能力具有正相关,但增长效应在减弱,同时混凝土脆弹性变形能力在增强。研究得到应变速率与混凝土承载能力也为正相关,当应变速率增大1个量级,则峰值应力可提高84.3%,同时混凝土变形破坏作用由延塑性演变至脆弹性。基于损伤模型能量特征计算,获得弹性应变能、耗散能均与温度、应变速率为正相关关系;弹性应变能随温度热作用影响在100℃后减弱,而随应变速率影响节点较峰值应力提前;应变速率愈大,耗散能在屈服变形破坏段更大。研究成果可为探讨水工混凝土力学影响特征及能量演化特征提供参考。

沥青混合料的黏弹性疲劳损伤模型研究

从沥青混合料的黏弹性本构模型出发,按应变等效假设将损伤引进本构模型,推导周期应力条件下含损伤的耗散能表达式,进而得到黏弹性损伤演化方程和疲劳方程;该模型可以综合反映应力、加载频率和温度的影响,适合用来分析沥青路面的疲劳损伤问题;利用MTS开展了沥青混合料的疲劳损伤试验,确定了相应的黏弹性疲劳损伤模型参数,据此开展了模型验证,结果表明模型与实测值之间相关性很好．

基于等效黏弹性的变阶分数阶岩石损伤蠕变模型

基于分数阶Zener模型与时变黏性Zener模型之间的等效黏弹性,突出弛豫时间在岩石流变黏弹性演变过程中的重要性。当弛豫时间趋近于无穷大,蠕变过程中的黏性演变等同于松弛过程中的黏性演变,并且建立了与弛豫时间相关的损伤因子,解释了损伤因子在岩石流变变形过程的物理意义。利用弛豫时间建立分数阶变阶函数,依此构造变阶分数阶损伤蠕变模型,并且将模型推广到三向应力状态,给出三向应力状态下变阶分数阶损伤蠕变模型。最后基于砂岩的三轴蠕变试验数据,验证了三轴状态下变阶分数阶损伤蠕变模型的可应用性和合理性,试验数据与模型拟合曲线吻合度较高,可以较好地描述蠕变全过程力学行为。模型拟合参数的有效性得到分析和验证,增加了模型在其他复杂应力环境下的可应用性。

软岩及混凝土材料损伤型黏弹性动态本构模型研究

根据软岩及混凝土材料在动载下的应力–应变曲线特点,并结合损伤体与黏壶所具有的特性,建立一种适合软岩及混凝土材料的损伤型黏弹性动态本构模型方程。该模型的建立是以朱王唐模型为基础,采用损伤体代替朱王唐模型中的弹性元件对现有损伤型朱王唐模型进行改进而建立的一种损伤型黏弹性动态本构模型方程。为说明该模型方程的合理性,采用建立的本构模型方程对分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统下实测的应力–应变曲线进行拟和,拟和曲线和实测曲线具有很好一致性,因此,该模型可为软岩及混凝土材料的动态本构关系的进一步研究及其工程应用提供一定的参考。

复合改性双基推进剂黏弹性-黏塑性-黏损伤本构模型研究

为描述复合改性双基(CMDB)推进剂复杂的力学性能,推导出黏弹性-黏塑性-黏损伤本构模型。进行一系列蠕变-回复试验,获得了本构模型参数。通过不同应力水平和不同加载时间下的蠕变-回复试验和恒加载率-回复试验,验证了本构模型的有效性。结果表明:黏弹性-黏塑性-黏损伤本构模型能够预测CMDB推进剂的蠕变-回复响应和恒加载率-回复响应;与黏弹性-黏塑性本构模型相比,黏弹性-黏塑性-黏损伤模型对CMDB推进剂力学性能的预测能力明显提高;损伤变量随着应变增大,在经过缓慢增大和快速增大后逐渐趋于稳定,应变变化越慢,损伤变量越大,黏弹性-黏塑性-黏损伤模型和黏弹性-黏塑性模型的预测结果差别就越大。

冲击载荷作用下传爆药细观损伤模式及本构模型研究

为获取传爆药在冲击载荷作用下的细观损伤模式及本构模型,基于一级轻气炮装置,设计JH-14C传爆药多轴冲击损伤实验,获得了不同速度下应力历程曲线,并利用扫描电镜对回收试样进行细观形貌观测。基于黏弹性统计裂纹模型开发VUMAT子程序,代入到ABAQUS中对SHPB实验进行数值模拟,对照实验结果验证了模型以及参数的有效性,并进一步对多轴冲击试验进行数值模拟,分析不同速度下JH-14C损伤度。结果表明:多轴冲击下JH-14C内部损伤主要为穿晶断裂,JH-14C损伤度随着速度增大而变大。数值模拟与实验结果吻合较好,本构模型可较好描述在不同加载条件下传爆药的力学特性。

耦合各向异性蠕变损伤的黏弹性薄板的弯曲

设损伤张量的主方向与应力张量主方向相同,基于Schapery的耦合损伤增长的对应原理,得到考虑各向异性蠕变损伤的黏弹性本构关系.将薄壁结构沿厚度方向分层,建立层合模型,且由Kachanov的损伤演化方程描述损伤沿层中各点处2个主方向的发展.具体分析了承受均布荷载的四边简支黏弹性薄板的弯曲,给出耦合各向异性损伤黏弹性薄板蠕变弯曲问题的控制方程、边界条件以及求解方法.数值算例表明:黏弹性薄板弯曲时的材料主方向与时间基本无关;当荷载在一定范围内时由于内力的重新分布,考虑损伤后的黏弹性薄板挠度最后趋于稳态值;损伤沿厚度方向的非均匀演化引起拉弯耦合效应增加了板的变形;基于各向同性损伤模型所得板的蠕变变形大于各向异性损伤模型所给出的值.

高黏弹沥青砂蠕变损伤模型

应用Kachanov损伤模型表征沥青砂损伤的增长变化律,将Burgers模型与损伤因子进行耦合,构建出能够描述高黏弹沥青砂3阶段蠕变全过程的蠕变损伤模型.借助高黏弹沥青砂的弯曲蠕变试验数据,利用最小二乘法,得到相关模型系数和蠕变损伤演化曲线.将此蠕变损伤模型曲线与试验结果及Burgers模型曲线进行对比研究.结果表明:该蠕变损伤模型能准确描述高黏弹沥青砂的蠕变3阶段特性,拟合相关系数达到0.998.

跌落冲击损伤条件下的果实非线性黏弹性流变模型

基于果实跌落冲击动力学特征,提出一表征其冲击损伤条件下的非线性黏弹性流变模型。以红富士苹果为研究对象,进行多个高度下的跌落冲击试验,基于试验数据识别获得了不同高度下的模型损伤弹性系数、黏性系数以及黏性特征参数。结果表明,与已有模型进行比较,本文提出的理论模型与试验结果吻合性最好;本理论模型与试验结果吻合度高,所提出模型能合理地表征苹果及类似特性果实的非线性黏弹性流变特征。研究结果为果实动态流变特性分析以及模型表征提供了一种新的方法,也为进一步表征果实的黏弹塑性损伤特征提供了基础。

片麻状花岗岩热黏弹塑性损伤蠕变模型及应用研究

随着地下工程开挖深度的增加,高地温和高地应力将导致岩石产生显著的蠕变变形,为保证地下洞室的施工和运行安全,研究温度-应力耦合作用下岩石蠕变力学特性具有十分重要的作用。以新疆齐热哈塔尔水电站引水隧洞高温段的片麻状花岗岩为研究对象,通过不同温度和应力作用的三轴蠕变试验,获得了考虑不同温度影响的片麻状花岗岩的蠕变变形规律。基于蠕变试验成果,提出了考虑热力耦合作用的热黏弹塑性损伤蠕变模型,建立了片麻状花岗岩的热黏弹塑性损伤蠕变本构关系,推导了其一维和三维热黏弹塑性损伤蠕变方程,有效反演获得岩石的蠕变力学参数,揭示出典型高、中、低应力状态下温度对片麻状花岗岩蠕变特性的影响规律,研究成果为工程长期稳定性分析提供了重要理论依据。

盐冻融-荷载耦合作用下高性能混凝土试验及损伤模型研究

通过对掺加粉煤灰、硅粉及矿渣的高性能混凝土在盐冻融-荷载耦合作用下的试验研究,提出了考虑多因素作用下混凝土疲劳损伤度模型。试验结果表明:荷载显著的影响盐冻融循环次数和破坏形态;不同应力状态下混凝土试件的质量变化率无明显差别。质量损失率是反映盐冻融-荷载耦合循环次数的主要参数,而相对动弹性模量是反映荷载影响的主要参数。提出的盐冻融-荷载耦合作用下的混凝土损伤度模型,可以反映出混凝土所受应力、相对动弹性模量、混凝土抗拉强度及循环次数对损伤度的影响。当耦合影响因子β接近零时,混凝土趋近疲劳寿命;所预测的损伤特性与实际损伤情况符合较好。

全程老化沥青中温抗疲劳性能及预测模型研究

为分析老化沥青胶结料的中温抗疲劳性能,以三种基质沥青和两种改性沥青为试验材料,基于线性振幅扫描试验和黏弹性连续损伤模型,建立了预测模型。结果表明,在线性振幅扫描试验中,随着频率的增大和老化时间的延长,沥青的复合剪切模量增大,相位角减小;改性沥青的相位角明显小于基质沥青,表明改性剂可以增强沥青胶结料的弹性;基质沥青的疲劳寿命随老化时间延长而缩短,其变化存在一个平缓过渡期;精度检验结果表明,建立的非线性预估模型拟合程度高,可用于不同老化时间沥青胶结料疲劳寿命的预测;推荐采用残留疲劳寿命作为老化沥青胶结料中温抗疲劳性能工程的判断指标,并针对不同类型沥青提出了相应技术要求。

深基坑降水与地面沉降的三维黏弹性全耦合数值模拟

针对上海地区第四纪松散沉积层地下水疏降所引发的地面沉降问题,基于Biot固结理论,考虑上海地区软土的非线性渗流变形特征,采用Burgers本构模型,将地下水渗流场与应力场全耦合,建立了地下水疏降与地面沉降三维黏弹性全耦合数学模型。采用有限元数值分析方法,以上海环球金融中心塔楼基坑降水为例,详细分析了承压水降水引起的基坑内外地下水位和地面沉降的变化规律,据此获得减压抽水井运行30d时基坑周围的地下水位与地面沉降量,并与实测结果进行了对比,其结果比较吻合,对类似重大工程的降水设计、施工及其对周边环境影响的分析具有重要的指导意义。

导电水凝胶黏结界面力电学疲劳损伤行为仿真研究

为了研究导电水凝胶电极贴片在疲劳载荷下因界面损伤而导致的电阻变化规律,本文提出了一种力电学内聚力模型.首先基于水凝胶的黏弹性力学行为,采用Wiechert模型构建了应变率相关的内聚力牵引力-牵引位移关系方程,并将界面电阻率定义为牵引力和损伤变量的函数,然后通过ABAQUS的UEL子程序对黏弹性力电学内聚力模型进行了数值实现.通过搭接剪切试验确定了模型的黏弹性参数和不同应变率下内聚力模型的损伤起始和界面断裂的能量释放率,以及应变率下界面电阻率随牵引力的变化规律.采用单个单元对模型的有效性进行了验证,最后将模型应用于导电水凝胶电极贴片的在疲劳载荷下的界面电阻变化规律仿真预测,结果表明随着电极贴片的电阻随着加载循环次数的增加呈波动上升趋势,且随着加载速率增大,电阻随加载次数上升的趋势逐渐减缓,电阻的波动也越小,有限元仿真结果与实验结果吻合良好.

热-力耦合作用下花岗岩蠕变损伤模型

热-力耦合作用下的岩石蠕变行为对深部地下工程、高放射性废料处置工程影响显著。基于20~300℃下的花岗岩蠕变试验,分析温度对瞬时应变和蠕变应变速率的影响,由此认为温度对花岗岩瞬时弹性模量造成瞬时损伤并促进后续蠕变损伤过程,从而定义瞬时、蠕变热损伤变量。构建广义Kelvin热损伤模型和黏塑性热损伤元件,采用Heard指数型模型描述花岗岩稳态蠕变行为,串联后得到一个新的热-力耦合作用下的花岗岩蠕变损伤模型。给出模型参数求解方法,分析瞬时、蠕变热损伤变量变化规律,通过辨识三种花岗岩的蠕变试验数据,验证所建模型的合理性和适用性。研究成果为热-力耦合作用下花岗岩蠕变行为模拟及深部地下工程、高放射性废料处置工程长期稳定性研究提供一定参考。

NEPE固体推进剂含损伤的黏弹性本构研究

作为一种新型高能固体推进剂,NEPE推进剂在固体火箭发动机中得到了越来越多的应用。本文首先对NEPE固体推进剂进行了松弛试验和单轴等速拉伸试验,在试验结果的基础上,对积分型本构进行了修正,增加了率的影响函数。考虑到颗粒大小的分布,借用Weibull分布函数形式构建了受损面积比与伸长比、应变率的变化关系,建立了一个损伤函数,较好地描述了推进剂拉伸过程中的损伤。综合修正积分本构与损伤函数,给出了NEPE固体推进剂含损伤的黏弹性本构,并用多个速率的拉伸试验曲线进行了验证,结果显示试验值与理论值吻合较好。

关于沥青混凝土黏弹性模型的探讨

为了研究不同黏弹性模型对于沥青混凝土材料的适用性,通过MTS810力学性能试验机在20℃、45℃、60℃3种温度下对沥青混凝土进行蠕变试验,得到不同温度下的蠕变曲线,并应用4种黏弹性模型对蠕变曲线进行拟合,得到其黏弹性参数。结果表明,Maxwell模型、Kelvin模型不能完全体现沥青混凝土材料的黏弹性能,Burgers模型和四单元五参数模型可以表征沥青混凝土的常温黏弹性能,但对于含高温损伤的蠕变曲线的拟合,则出现误差较大或黏弹性参数为负数的矛盾现象。针对该缺陷,通过引入损伤因子对Burgers模型进行改进,得到损伤Burgers模型,并对该模型对沥青混凝土的高温蠕变曲线进行拟合,结果表明损伤Burgers模型可以较好地表征沥青混凝土的高温损伤蠕变性能。

非贯通节理岩体单轴压缩动态损伤本构模型

非贯通节理岩体是同时含有节理、裂隙等宏观缺陷及微裂隙、微孔洞等细观缺陷的复合损伤地质材料,基于此提出了在非贯通节理岩体动态损伤本构模型中应同时考虑宏、细观缺陷的观点。首先对基于细观动态断裂机理的经典动态损伤本构模型——TCK模型进行了阐述,其次针对目前节理岩体损伤变量定义中仅考虑节理几何参数而未考虑其强度参数的不足,基于能量原理和断裂力学理论推导得出了同时考虑节理几何及强度参数的宏观损伤变量(张量)的计算公式;第三,基于Lemaitre等效应变假设推导了综合考虑宏、细观缺陷的复合损伤变量(张量);第四,借鉴前人基于复合材料力学的观点,考虑了节理法向及切向刚度等变形参数对岩体动态力学特性的影响,进而建立了基于TCK模型的非贯通节理岩体单轴压缩动态损伤本构模型。并利用该模型讨论了载荷应变率、节理内摩擦角、节理厚度、节理法向及切向刚度和节理倾角等对岩体动态力学特性的影响规律。计算结果与目前的理论及试验研究结果比较吻合,从而说明了该模型的合理性。

软岩非线性蠕变损伤模型及其试验研究

为了反映软岩蠕变全过程,进行红层泥岩蠕变力学试验,试验发现弹性模量随时间的增长而逐渐衰减,黏滞系数在应力恒定且并未达到屈服应力的情况下,随时间的增长而逐渐增大。因此认为传统理论流变力学中的蠕变损伤处理方法不适用于将黏滞系数进行损伤演化,故引入分数阶微积分来描述软岩蠕变的黏弹性和黏塑性应变。通过构建一个考虑蠕变时效损伤的弹性体,并将其与基于分数阶微积分的黏滞和黏塑性体进行串联,从而建立一个新的非线性蠕变损伤模型。依据红层泥岩和相关文献中冻结软岩及红砂岩的蠕变试验数据,通过该软岩蠕变损伤模型对其进行辨识,充分显示出所建模型的合理性和适用性。

饱和正冻土水热力耦合模型的改进

在深入剖析已建立的饱和正冻土水热力耦合模型不足的基础上,结合冻土力学最新研究成果,基于连续介质力学和热力学定律对原模型进行改进以提高其实用性。首先,引入由冻融过程中的动态变量（应变速率）与温变速率构成的黏弹性耗散势,建立了考虑温度影响的冻土骨架的黏弹性本构关系;在此基础上根据多孔多相介质理论,建立了外载及温度共同作用下冻土骨架的质量守恒方程;其次,在考虑冻土骨架（冰）黏弹性耗散和热力耦合耗散以及水分迁移引起的热对流等主要因素的基础上建立了能量守恒方程;最后,综合各方程构建了准饱和正冻土水热力三场耦合控制微分方程,开发了相应的扩展有限元程序3GEXFEM,通过典型室内试验验证了改进后模型的合理性。