考虑局部胶结破损热力学行为的结构性黄土二元介质本构模型

建立考虑局部胶结破损机制的本构模型是黄土力学核心任务之一,是解决黄土工程稳定性分析/评价的关键理论基础。基于热力学方法和岩土破损力学,建立了一个宏-细观热力学本构模型,它能够定量描述局部胶结破损的热力学行为及细观尺度应力-应变非均匀分布特征,提高了模型对变形的预测精度,其在数学形式上同剑桥模型类似。首先,通过热力学能量守恒定律,确定结构性黄土压缩变形过程中的结构破损功数学表达式,并发现结构性黄土局部损伤耗散的热力学行为主要来源:(1)破损集合体与未破损集合体之间的相互摩擦作用;(2)未破损集合体向破损集合体转换时,部分细观结构破损的不可逆热力学行为。基于此认识,建立了考虑胶结破损热力学行为的宏-细观本构模型框架,并通过分析结构性黄土变形机制(摩擦+胶结+破损共同作用),确定其自由能、耗散能和破损耗散能表达式;推导了一个考虑体积破损和剪切破损演化规律的损伤屈服函数及本构关系。通过所建立本构关系对已有试验数据进行预测,验证其合理性。

耦合应变速率及尺寸效应的3102铝箔本构模型

为研究3102铝合金在应变速率与尺寸效应耦合作用下的本构关系,利用单轴拉伸实验获得0.095~0.14 mm厚度的3102铝合金在10^(-4)~10^(-1) s^(-1)应变速率下的真应力-真应变曲线,以此为基础构建了改进的Johnson-Cook本构模型,并利用DYNAFORM有限元仿真软件对3102铝合金室温拉深成形过程进行模拟预测。结果表明:随着应变速率和厚度的增加,3102铝合金的抗拉强度提高,表现出明显的应变速率敏感性和尺寸效应。利用改进的Johnson-Cook本构模型对真实应力进行预测,其相关系数与平均相对误差分别为0.991%和0.44%;将改进的本构模型应用于有限元仿真分析,通过对比实际成形零件减薄率与模拟预测值发现,二者的最大绝对误差为4.573%,表明改进的Johnson-Cook本构模型能够准确预测相应条件下的真实应力。

冻融单裂隙大理岩单轴压缩破裂机理与疲劳本构模型研究

为研究冻融后单裂隙大理岩的疲劳损伤力学特性与破裂机理,采用宏观单轴压缩疲劳荷载试验与细观核磁共振试验相结合的方法,对冻融后的单裂隙大理岩进行了宏细观单轴压缩疲劳破裂机理分析。结果表明:周期荷载幅值对岩样疲劳损伤影响显著,单裂隙大理岩的疲劳寿命对裂隙倾角的变化不敏感;在周期荷载作用下,大理岩预制裂隙端部产生的微裂纹充分发展,产生局部剪切破坏;细观机理表现为周期荷载振幅越小,大理岩内部微小裂纹的贯通连接现象越显著,岩样的破坏越彻底;通过引入冻融损伤变量,并用循环次数与频率换算代替蠕变时间,基于传统的西原蠕变模型,建立了周期荷载下冻融单裂隙大理岩单轴压缩疲劳本构模型。研究结果可为寒区裂隙岩体边坡稳定性评价及灾害防治提供参考。

基于纸张本构模型的瓦楞纸板边压强度仿真分析

目的采用LS-DYNA软件中的MAT274纸张本构模型,研究瓦楞纸板边压强度有限元仿真计算问题,并结合理论和试验结果验证模型的可靠性。方法参照瓦楞纸板边压强度测试试验标准,使用ANSYS和LS-PREPOST软件建立与此标准相吻合的瓦楞纸板边压强度计算的有限元模型;采用边压强度试验及Li的简化公式和Garbowski的改进经验公式,分别得到瓦楞纸板的边压强度;对相关结果进行对比分析,以验证瓦楞纸板边压强度仿真计算模型的可靠性。结果针对B型、C型2种瓦楞纸板,采用以上方法得到其压缩过程及压缩曲线或边压强度的试验、理论和有限元计算结果。结论试验和仿真得到压缩过程中样品的变形模式和压缩曲线,以及边压强度理论、试验和仿真值结果的吻合性,证明了有限元模型的可靠性。这为瓦楞纸板设计应用提供了重要的参考和指导。

高温冻土双屈服面统一本构模型及其验证

高温冻土本构模型是准确计算冻土体应力与变形的关键。基于修正剑桥模型及双屈服面理论,考虑高温冻土黏聚力及内摩擦角的影响,以整体变形ε_v-lnp曲线描述试样变形特征,采用应力路径相关因子修正当前屈服面及参考屈服面硬化参量,建立了一个高温冻土双屈服面统一本构模型。结合弹塑性理论推导获得了应力应变关系的增量形式,给出了模型参数的含义与简便确定方法,定义了反映高温冻土当前状态的固结参数及潜在强度,剖析了其与硬化参量之间的相互依赖、相互制约动态循环关系,分析了整个应力路径中的模型状态演化过程,利用试验数据对构建的本构模型进行了验证,结果表明提出的本构模型能够很好地预测高温冻土在常规三轴应力路径下的应力应变行为。

粗粒土三阶状态相关本构模型研究

岩土工程中普遍存在材料空间变异性问题,对粗粒土而言,其空间变异性主要体现在颗粒级配与密度的非均匀分布。然而,经典的状态相关理论只能描述密度与应力水平这两个状态量的影响,建立能综合考虑级配、密度和应力水平的粗粒土三阶状态相关本构模型是精细化模拟的迫切需求。通过引入归一化级配参数来定量表征粗粒土初始级配的变化,在此基础上提出了考虑级配、密度和应力水平影响的等向固结线和临界状态线方程,并结合广义塑性理论,建立了粗粒土三阶状态相关本构模型。验证结果表明,该模型仅采用一套模型参数,就能较好地反映粗粒土在不同级配、不同密度、不同围压条件下的应力应变特性,可应用于粗粒土工程中考虑材料空间变异性的数值分析。

HTPB推进剂拉压不对称黏弹塑性本构模型

为了研究HTPB推进剂拉伸、压缩蠕变变化规律,设计并分别开展了1 000 s拉伸、1 000 s压缩与28 d拉伸蠕变试验;同时,引入圣维南体与拉压不对称因子,建立了考虑拉压不对称的推进剂黏弹塑性本构模型;通过拟合与分析本构方程中的参数,得到了该方程的适用范围。结果表明:推进剂蠕变变形行为受应力水平影响较大;同一应力水平下,拉伸蠕变的黏弹性变形大小约为压缩蠕变的1.62倍;压缩屈服应力为拉伸屈服应力的3.82倍。因此,拉压不对称黏弹塑性本构模型可以较好地表征低应力水平下推进剂蠕变的响应行为。所得结论和研究方法为固体发动机结构完整性分析与贮存寿命评估提供了参考依据。

基于RHT本构模型的连续装药预裂爆破孔距优化研究

为解决北衙金矿在使用预裂爆破技术时整体爆破效果不佳的问题,基于RHT损伤本构模型,利用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件,开展了不同孔距下预裂爆破的数值模拟研究。结果表明:当预裂孔炮孔间距为120 cm时,孔间裂纹存在较为明显的分叉,且裂纹扩展范围较大;当炮孔间距为130 cm时,裂纹向四周扩展的范围减小,且炮孔周围岩石的损伤程度明显降低;当炮孔间距增加至140 cm时,相邻预裂孔连线上的裂纹仅在局部连通,无法实现孔间贯穿。上述结果说明,130 cm的炮孔间距在降低预裂爆破自身对岩体的扰动与实现有效爆破成缝之间达到了平衡。基于数值模拟试验结果开展了现场试验,爆破效果良好。研究结果可为矿山的预裂爆破设计和施工提供参考。

复合固体推进剂本构模型研究进展及发展趋势

复合固体推进剂作为固体火箭发动机的重要能量来源,其力学性能一直是工程领域所关注的重点。聚焦推进剂力学性能表征中的宏观本构模型和细观力学模型,系统梳理了两类模型的发展脉络,明确了模型之间的差异,指出了各种模型的适用条件,分析了现阶段宏、细观力学模型在推进剂力学性能表征中的困难和挑战。以跨尺度力学模型为代表的力学模型的提出,将助力推进剂力学性能表征问题的解决。未来推进剂力学表征建模中的关键是复杂条件下试验研究,重点是发展高精度与高性能的多尺度数值计算方法,以及将以人工智能技术为代表的数据驱动技术融入模型创新中。

锈蚀Q345B钢力学特性试验及循环本构模型研究

钢材锈蚀后的力学性能会发生劣化,已有研究主要关注低碳钢锈蚀后的静力拉伸性能。为研究Q345B低合金钢锈蚀后的力学特性,对22组Q345B钢材试件开展了人工加速腐蚀、单调拉伸与循环加载试验,分析了锈蚀对其单调拉伸和滞回性能的影响,并根据试验数据标定与验证了基于Chaboche模型的混合强化参数。结果表明:钢材单拉应力-应变曲线受锈蚀影响明显,各力学指标均随锈蚀率增加呈线性或非线性退化;循环累积损伤与锈蚀耦合作用会进一步加剧钢材变形能力劣化,同时钢材的耗能能力与循环强化作用亦会受到锈蚀影响;基于循环加载试验数据标定的材料混合强化参数,可较好地模拟锈蚀Q345B钢在循环荷载下的滞回性能,为后续在役钢构件及结构的剩余抗震能力分析评估提供支撑。

螺栓连接装配式墙板结构连接节点本构模型及体系建模方法

螺栓连接装配式墙板结构体系具有建造快速、施工便捷、连接可靠、可拆卸和可修复等优势,适合低多层乡村住宅建筑,近年来工程应用逐渐增多。该体系预制墙板之间采用离散的干式螺栓连接,受力时接缝处产生滑移变形,与传统的现浇剪力墙结构或湿法连接的剪力墙结构存在本质区别,为了分析结构体系的整体性,建立适合该结构体系的“非等同现浇”的抗震设计方法具有重要意义。本文结合已进行的螺栓连接节点轴向拉伸试验和剪切试验,提出螺栓连接节点拉伸和剪切的本构模型。在此基础上,将单个螺栓连接节点简化为3个平动自由度(x、y、z)的非线性弹簧,模拟连接节点的力学行为,建立简化计算模型。借助螺栓连接预制墙板的拟静力试验结果验证了螺栓连接节点简化模型的有效性,显示可用于分析结构体系的抗震性能。基于节点简化模型,依托Midas Gen软件,提出了螺栓连接装配式墙板结构体系的建模方法。以实际工程为例,建立了该结构的设计模型,并进行在小震、中震作用下的弹性分析及大震作用下的弹塑性时程分析。结果表明:在各地震工况下,螺栓连接装配式墙板结构体系侧向位移较小,层间位移角分别小于弹性位移角限值的1/1200和弹塑性层间位移角限值的1/120,符合规范要求,螺栓连接节点承载力满足抗震需求,墙板角部混凝土没有被压溃,说明螺栓连接装配式墙板结构体系抗震性能优越。研究成果可为螺栓连接装配式墙板结构体系的工程建设提供设计依据,为该新型结构体系的推广奠定理论基础。

低应力水平下颗粒土的边界面本构模型

低应力条件下土体的力学行为因颗粒嵌锁效应显著增强,表现出更高的摩擦角和剪胀性,工程设计中忽视这些特性可能导致不准确分析甚至引发地质灾害。在SANISAND-04边界面模型基础上进行扩展,通过引入颗粒间嵌锁强度参数,对模型的屈服面、临界状态面、边界面和剪胀面进行了改进,提出了SANISAND-L模型,并采用两种不同嵌锁强度的颗粒土三轴剪切试验结果对该模型进行了验证。结果表明:改进后的SANISAND-L模型只增加了一个模型参数,不仅能准确反映低应力水平下颗粒土的峰值和临界状态内摩擦角的提升,同时也能在较高应力水平下保持适用性;该模型参数能通过低应力条件下的临界状态强度数据直接拟合获得;对模型进行验证发现其显示出较好的预测能力;在2 kPa有效围压下,该模型对Toyoura砂土峰值内摩擦角的预测相对误差低于2%,显著优于未考虑嵌锁效应的SANISAND-04模型(后者相对误差超过25%)。该模型结构简洁、参数标定方便,可在SANISAND-04模型的代码基础上直接修改实现,有助于更加精准地进行浅基础承载力、海底管道铺设等浅部土层工程问题的有限元模拟。

织物增强橡胶基复合材料本构模型及其应用

为更准确地表征织物增强橡胶基复合材料在受力变形过程中的力学性能,针对二维编织物结构,基于连续介质力学将织物增强橡胶基复合材料应变能解耦为橡胶基体应变能、纤维拉伸应变能以及纤维之间相互作用引起的剪切应变能,结合橡胶、织物增强复合材料的单轴拉伸及镜框剪切实验数据拟合得到本构模型参数。通过对织物增强密封带压缩仿真结果与实验数据进行比较,验证了所建立的舱门密封有限元模型的有效性,随后将织物增强橡胶基复合材料超弹性本构模型应用于飞机舱门压缩过程的模拟分析。结果表明:超弹性本构模型能够用于表征织物增强复合材料的各向异性非线性材料行为;经向/纬向纤维与密封带轴向呈0°角铺设方式的密封性能优于45°角铺设,舱门的密封性能与门框的加载量成正比关系。

激光熔覆Inconel 625合金高温高应变率下的力学行为及本构模型

为研究激光熔覆Inconel 625(IN625)合金在高温高应变率下的力学行为,制备激光熔覆IN625合金试样,获取了试样在四种温度(25℃,600℃,800℃,1 000℃)和三种应变率(1 000 s^(-1),2 000 s^(-1),3 000 s^(-1))下的压缩应力-应变曲线,并构建了适用的本构模型。结果表明:激光熔覆IN625合金在四种温度和三种应变率下的应力-应变曲线均存在弹性和塑性阶段。在各温度下,材料的屈服强度和流动应力均随着应变率的增加而增大,表现出明显的应变率强化效应。在各加载应变率下,材料的流动应力和屈服强度均随着温度的升高而降低,表现出显著的温度软化效应。基于应力-应变数据,以Johnson-Cook(J-C)本构模型为基础,通过温度软化指数和应变率敏感系数拟合对模型进行修正,结果表明,模型拟合值与实验结果吻合较好,可准确地描述材料的力学行为。

SiCp/Al超低温材料流动行为和本构模型构建

碳化硅颗粒增强铝基复合材料(SiCp/Al)由于优异的综合性能在航空航天领域应用广泛,而超低温处理已被证明在材料成形工艺中能进一步提升材料性能,面对愈加苛刻的工业要求,研究SiCp/Al在超低温下的流变特性显得尤为重要。本工作通过电子拉伸试验机对20%SiCp/Al进行了-196℃下准静态拉伸试验,并利用分离式霍普金森压杆装置进行了温度范围-196~20℃、应变率范围1 000~3 000 s^(-1)的动态压缩试验。结果表明,SiCp/Al的应变率强化效应不显著,而超低温对材料的流动应力具有显著的强化效果。结合位错运动、应变硬化与动态再结晶软化分析了材料流动行为的变形机制。综合考虑应变、温度和应变率对材料流变特性影响的耦合效应对所建立的Johnson Cook本构模型进行修正,对比发现,修正Johnson Cook(MJC)模型能够较好地反映材料不同条件下的流动应力,预测误差降低了50%以上。

基于统计损伤原理的岩石三轴压缩本构模型

岩石在三轴压缩条件下的变形行为主要受到裂隙扩展与演化的影响。针对岩石在不同围压条件下的应力-应变曲线行为,分析了其闭合应力σ_(cc)、起裂应力σ_(ci)、扩容应力σ_(cd)、峰值应力σ_(c)随围压变化的演化规律。考虑到岩石峰后的残余强度特征,建立了基于概率统计的损伤变量,并推导了基于统计损伤原理的岩石三轴压缩本构模型。结果表明:在围岩增加的条件下,岩石的特征应力也随之表现出增长过程。通过与试验数据进行对比分析,表明建立的本构模型可以有效描述岩石全阶段内的损伤演化规律和应力-应变曲线特征,验证了模型的合理性与可靠性。

CO_(2)−荷载耦合作用下煤体细观统计损伤本构模型及验证

CO_(2)吸附会对煤体产生损伤劣化作用进而降低其稳定性,对CO_(2)封存的长期安全性提出挑战,明确CO_(2)劣化作用并建立本构模型至关重要。采用损伤力学理论和统计理论推导出能够综合反映CO_(2)吸附和荷载耦合作用下煤体总损伤变量的计算公式,并重点考虑了压密段的影响,分段建立了CO_(2)作用下煤体的细观统计损伤本构方程,明确了模型各参数的确定方法。最后通过CT扫描实验系统、MTS 816实验系统确定了本构模型参数,并采用自主研制的气−固耦合实验系统对不同CO_(2)压力下煤体进行了单轴压缩实验,验证了模型的合理性。研究结果表明:①基于CT扫描获取的裂隙率和运用Weibull分布理论分别定义了吸附和受载作用下的损伤变量,结合损伤理论进一步得到二者耦合作用下的总损伤变量,并建立了细观统计损伤本构模型;②基于CT扫描技术的裂隙三维重构真实反映了CO_(2)作用前后裂隙扩展特征,CO_(2)压力越高,裂隙扩展越充分,煤样三维裂隙参数和损伤变量越大,所形成的空间裂隙网络越复杂;③CO_(2)对煤体力学性质劣化作用显著,煤体的抗压强度与弹性模量随CO_(2)压力增加分别降低了49.78%和22.63%,CO_(2)对煤体的溶胀效应、塑化效应和气楔效应的综合作用导致了力学参数的降低;④建立的CO_(2)作用下煤体细观统计损伤模型理论曲线与单轴实验曲线具有较高的吻合度,说明损伤本构模型能够较好地反映出CO_(2)对煤体力学特性的损伤劣化作用,体现了损伤本构模型及模型参数确定方法的合理性与适用性。

早龄期机制砂混凝土抗压强度与弹性模量时效关系及本构模型试验研究

为了研究早龄期机制砂混凝土在单轴受压状态下抗压强度与弹性模量的时效关系和本构模型,通过对8组不同龄期的C60机制砂混凝土试件进行立方体抗压强度试验、静力受压弹性模量试验和单轴受压应力-应变曲线试验,并参考多种已有研究模型,建立了早龄期机制砂混凝土在单轴受压状态下的抗压强度与弹性模量时效关系模型和分段式应力-应变本构模型。结果表明,采用的抗压强度与弹性模量时效关系模型和分段式应力-应变本构模型与试验数据吻合效果理想,能够较好地描述早龄期C60机制砂混凝土在单轴受压状态下的力学性能。

长期贮存发动机中HTPB推进剂老化特性及蠕变本构模型

为了研究固体火箭发动机长期贮存期间老化对推进剂力学性能的影响,开展了三种温度(50℃,60℃与70℃)下为期60天的高温加速老化试验。对老化前后HTPB推进剂进行了定速拉伸试验与蠕变试验,并采用扫描电镜观察了其表面细观形貌。引入扩裂元件,结合Arrhenius方程,建立了含老化因子的推进剂蠕变全过程本构模型,利用试验数据拟合了模型参数并验证了其有效性。结果表明:随着老化进程的加剧,推进剂最大伸长率逐渐减小,最大抗拉强度会依次出现下降、波动、上升三个阶段。所建本构模型能较好地表征贮存1.5年后推进剂的蠕变全过程,预测曲线与试验结果曲线最大误差为13.35%。

基于耗散能演化的层状黄砂岩损伤本构模型及其验证

层理构造影响工程岩体力学性质及稳定性.为探究层理倾角对岩石变形损伤过程的影响,开展了0°,15°,30°,45°,60°,75°,90°共7种不同层理角度的黄砂岩纵波波速测试和单轴压缩试验,分析了层理角度对黄砂岩峰值强度、弹性模量及破裂模式的影响,基于弹性模量劣化程度和耗散能演化特征分别表征黄砂岩初始层理损伤变量和荷载损伤变量,并借助Logistic函数模拟了层理与荷载耦合损伤变量演化全过程,探讨了层理角度对黄砂岩损伤演化规律的影响,进一步结合损伤力学理论与有效介质理论,建立了能够模拟单轴压缩下层状黄砂岩变形全过程的分段本构模型.结果表明:随层理倾角增大,黄砂岩纵波波速逐渐增大,峰值抗压强度和弹性模量呈现先减小后增大再减小的倒N型变化趋势,各向异性特性明显;黄砂岩破裂模式与层理倾角密切相关,倾角在0°~60°范围内时,主要发生穿切层理弱面的劈裂型张拉破坏,倾角为75°和90°时,岩样发生沿层理弱面的剪切滑移和劈裂张拉破坏;基于耗散能表征的损伤演化曲线可分为初始无损伤、损伤开始、损伤加速及损伤减速终止4个过程,借助Logistic函数构建的理论损伤模型可以很好的模拟和预测层状黄砂岩损伤演化全过程;初始层理损伤最大值与最小值之比约为1.41,表明层理倾角对黄砂岩初始损伤影响较大;建立的分段本构模型可以较好的描述层状黄砂岩单轴压缩应力–应变全过程,且理论模型曲线与试验数据吻合度高.