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.

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。

冲击载荷下煤样动力学响应特性与损伤本构模型

为研究深部煤体动载响应规律,采用分离式霍普金森压杆试验系统对信湖矿煤样开展了不同应变率的单轴冲击压缩试验。研究结果表明:冲击载荷下煤样动态抗压强度强度具有明显的应变率效应,且随着应变率增大,应变硬化现象愈发明显;煤样反射能、透射能、吸收能、耗能密度与应变率呈一次函数关系,耗能占比与应变率呈指数型函数关系,且均保持正相关。基于经典朱-王-唐模型、Weibull分布、Drucker-Prager准则,建立了考虑煤样损伤与黏滞性特征的动态统计损伤本构模型,并对本构模型的准确性与普适性进行了验证。该模型能够较好地描述煤样冲击动态力学行为,为动载影响下深地煤炭安全开采提供了基础研究。

卸围压下弱胶结软岩分数阶蠕变损伤本构模型

为研究地下硐室开挖卸荷诱发的软岩蠕变损伤特征,以西部矿区弱胶结软岩为研究对象,利用GDS HPTAS开展了分级卸围压蠕变试验,研究了不同含水条件下弱胶结软岩卸围压下蠕变特征和蠕变速率特征。基于稳态蠕变速率倒数的方法,确定了弱胶结软岩长期强度和含水率的数学指数函数关系。基于蠕变速率曲线特征提出了一种确定衰减蠕变与等速蠕变分界点t_1和等速蠕变与加速蠕变分界点t_2的新方法。引入Riemann-Liouville分数阶积分算子和负时间指数损伤演化变量,定义了非线性损伤Abel黏壶,建立了一个包括弹性元件、黏弹性损伤元件、黏性元件和非线性黏塑性损伤元件的六元件分数阶蠕变损伤本构模型。基于试验结果,采用Trust-Region算法进行了模型参数识别和敏感性分析。结果表明,所建立的模型具有物理意义明确、与试验值吻合度较高等特点,可较为准确地反映开挖卸荷条件下弱胶结软岩蠕变损伤特性,对保障地下工程长期稳定性具有重要的意义。

基于Weibull分布的石砌体单轴受压损伤本构模型

石砌体的本构模型是石砌体力学计算和有限元数值模拟的重要基础和前提条件。为了深入研究石砌体单轴受压下的本构关系,基于损伤力学理论,应用双参数Weibull分布函数反映损伤变量,根据石砌体单轴受压应力-应变全过程曲线的特征条件确定其参数,推导并建立了石砌体单轴受压损伤本构模型,将已有试验数据验证本构模型的正确性,并将本构模型与典型的砌体本构模型进行对比分析,最后应用本构模型对已有石砌体拱桥试验进行有限元分析以验证本构模型的适用性。结果表明:所建模型与已有石砌体单轴受压试验结果吻合良好;所建模型验证了石砌体损伤演化的一般规律,符合典型的砌体本构模型的一般趋势;所建模型可应用于石砌体结构有限元分析计算,适用性良好。

卸荷损伤泥岩应力松弛特征及本构模型研究

软弱岩体开挖卸荷形成的损伤对其支护加固后的应力松弛特性影响不可忽视。以红层泥岩为研究对象,开展了不同卸荷损伤程度泥岩的单轴应力松弛破坏试验,研究了不同应变水平及卸荷损伤程度对泥岩松弛特性的影响规律。结果表明:卸荷损伤泥岩在破坏前后的分级应力松弛试验中应力曲线均表现为不完全松弛,应力松弛曲线主要包含减速及稳定松弛两阶段,且各级应变水平下松弛量和松弛时间均随卸荷损伤程度增加呈线性增大趋势。基于分数阶微积分理论,选取R-L分数阶弹黏性元件(F元件),提出考虑黏滞系数时变特征的弹黏性时变元件(FT元件),然后引入卸荷损伤程度因子,提出考虑卸荷损伤的分数阶弹黏性时变元件(UFT元件),最后将该元件引入传统Burgers模型,建立了基于分数阶的非线性松弛本构模型。基于不同分数阶元件的理论本构模型计算值与试验数据对比表明,基于UFT元件的松弛本构模型具有更高的精确性,且不同应力水平及卸荷损伤程度下的模型理论计算成果与试验数据均较吻合,表明该松弛本构模型能够精确地描述卸荷损伤泥岩松弛特征。

矸石基混凝土轴心受压声发射特性与损伤本构模型

为研究不同水泥取代率、不同水胶比下矸石基混凝土轴心受压时的力学性能,及推广应用矸石基混凝土这一绿色建筑材料,通过轴心受压试验和声发射试验,研究了轴心受压时不同煤矸石粉掺量、不同水胶比下矸石基混凝土的应力-应变曲线、声发射振铃计数和声发射累积能量随煤矸石粉掺量和水胶比的变化规律,提出了矸石基混凝土轴心受压时的本构关系。结果表明:相比普通混凝土,矸石基混凝土的力学性能有一定程度的改善,主要表现为其峰值应力和峰值应变增加;矸石基混凝土轴心受压应力-应变全曲线与普通混凝土基本一致,煤矸石粉掺量为20%时峰值应力达到最大值;声发射振铃计数可以有效描述矸石基混凝土的损伤演化规律,随着煤矸石粉取代率的增大,振铃计数先减少后增加。考虑煤矸石粉和水胶比对矸石基混凝土轴心受压时的影响,提出了具有较高精度的矸石基混凝土轴心受压本构关系,这为矸石基混凝土力学性能的进一步研究提供了参考,也对推广应用的结构计算有一定参考价值。

循环载荷作用下煤岩复合结构宏-细观破坏特征及能量-损伤本构模型

煤炭深部开采过程中,周期性开采扰动行为会使邻近煤层的煤岩复合结构承受循环载荷的作用,因此,研究不同循环载荷作用下煤岩复合试样的力学响应行为及宏-细观失效特征具有重要工程意义。选取3种不同的加(卸)载速率,开展了2种循环加卸载路径下的单轴循环压缩试验(同步测定声发射信号),分析了煤岩复合试样的损伤失效特征;基于能量耗散原理,构建了煤岩复合试样在循环载荷作用下的能量-损伤本构模型,最后结合试验实测数据进行验证。结果表明:加(卸)载速率与复合试样的峰值强度呈正相关,当加(卸)载速率从0.05 mm/min增大到0.15 mm/min时,恒定下限逐步循环加卸载路径(路径I)、变上下限等幅循环加卸载路径(路径II)下,试样的峰值应力分别增加了22.44%和28.89%;高加(卸)载速率下,试样的内部裂纹扩展越快,煤岩复合试样中煤组分的破碎程度加剧,分形维数随之增大,试样的内部裂纹扩展越快;随着加(卸)载速率的增大,煤组分中沿基质破坏增多。循环分级跨度大的路径(路径I)有助于试样内部的应力传递,为试样内部裂纹的发育提供了有利条件,导致对应试样的破坏程度更高。试验曲线和能量-损伤本构理论曲线具有较强的一致性,表明所建的能量-损伤本构模型能够很好地描述煤岩复合试样在循环加卸载过程中的变形行为。

考虑细观损伤的推进剂粘弹性多尺度本构模型研究

为了深入研究固体推进剂细观损伤行为及对其宏观力学性能的影响,在223~333 K温度下对硝酸酯增塑聚醚推进剂(NEPE)推进剂开展了单轴拉伸和应力松弛试验,获得了相应的应力应变曲线及松弛模量主曲线。在有限变形下开发了考虑细观损伤的非线性粘弹性本构模型,该模型通过将微空洞演化与温度、应变率、围压及循环加载损伤等因素关联实现对推进剂力学性能的多尺度分析。通过有限元软件ABAQUS对模型进行了二次开发,并基于试验数据确定了模型参数,之后将模型应用于预测推进剂在不同加载下的力学响应。结果表明,该模型能够准确预测推进剂在宽温(223~333 K)和加载速率(1~200 mm·min^(-1))下的单轴拉伸响应,并且适用于循环加载、围压试验和双轴加载试验,验证了该模型在复杂应力状态下的有效性。该模型所需参数较少且易于嵌入商用软件,可为发动机推装药结构完整性的多尺度分析提供一定的理论指导。

高温加热-液氮冷冲击处理后花岗岩声发射演化特征及损伤本构模型

通过液氮(LN_2)压裂在储层中形成大规模裂隙网络,可以有效提高干热岩储层的热能提取效率。为研究液氮冷冲击作用对不同温度储层的压裂机理和致裂效果的影响,对经过高温加热(25℃~400℃)和液氮冷冲击处理后的花岗岩试样进行单轴压缩试验,分析了花岗岩力学强度及声发射等多项参数的演化特征,并进一步构建了考虑声发射参数的损伤本构模型,用于评价和预测高温加热-液氮冷冲击处理后花岗岩的变形和强度特征。结果表明:高温和液氮冷冲击的联合作用显著劣化了花岗岩力学性能,峰值强度逐渐降低,最大降幅达到32.8%。同时随着加热温度的升高,不同矿物颗粒之间的热膨胀变形存在差异,导致矿物颗粒之间变形不协调。随着初始加热温度的升高,声发射最大b值平均值显著上升,最大增幅达到32.2%,且声发射振铃计数的初始静默阶段对应的应变量大幅度降低,最大降幅达到54.3%。随着加热温度的升高,液氮冷冲击作用使得微裂纹的生长更为密集,花岗岩在外部荷载作用下,微裂隙不断扩展贯通,更容易形成剪切变形,发生剪切破坏的起始应力水平逐渐下降,最大降幅达到62.3%,同时RA-AF散点值在剪切区域占比增加,最大增幅达到29.5%。此外,本文以声发射振铃累计计数为变量构建了考虑声发射参数的损伤本构模型,能够描述不同高温和液氮冷冲击处理后花岗岩各力学参量在变形破坏过程中的演化特征。

顶板砂岩直接拉伸破坏声发射特征及损伤本构模型

深部煤炭资源开采常面临复杂的赋存及采动力学环境,冒顶等灾害事故风险激增。顶板拉破坏是其中一个重要诱因,故亟需深入探究顶板岩石拉伸破坏力学特性及损伤演化规律。通过开展顶板砂岩单轴直接拉伸试验和全过程同步声发射测试,探究了砂岩的直接拉伸力学特性和声发射时空演化特征,对比分析了顶板砂岩与煤的直接拉伸破坏差异性过程规律,同时发展并对比验证了煤岩拉伸全应力应变损伤本构模型。结果表明:1)顶板砂岩平均直接抗拉强度为5.01MPa,约为煤体直接抗拉强度的7.6倍;顶板砂岩直接拉伸力学参数变异性强,反映出砂岩易产生破坏局部化而导致顶板拉破坏。2)砂岩在直接拉伸峰后的弹性能释放速率显著高于煤体,表现出明显的脆性特征。3)声发射空间定位演化分析揭示了顶板砂岩不同拉伸加载阶段的微裂纹扩展与空间集聚成核过程机制,同时发现峰值应力前仅有少量随机分布的微裂纹产生,主要发生基质的弹性变形;峰值后应力下降20%时,微裂纹局部化,此后宏观裂纹出现并快速扩展,直至破坏。4)构建了基于声发射特征参数的煤岩拉伸损伤本构模型,砂岩和煤的直接拉伸和声发射试验数据的验证显示其具有良好的拟合效果,可较好地表征岩石在直接拉伸作用下的峰后应变软化特征。研究成果对巷道支护结构设计优化,以及煤矿灾害防治具有重要指导意义。

基于裂隙演化微分动力学机制的岩石损伤本构模型

为研究天然岩石内部不同形态裂隙的演化行为与岩石累计损伤程度之间的关系,运用唯象理论将岩石分为完整岩石微元体、闭合裂隙微元体和开口裂隙微元体3组分。基于生物群落生长逻辑建立岩石的裂隙演化微分动力学方程,并利用半解析方式求解岩石闭合裂隙与开口裂隙在受压状态下的演化表达式,实现压缩过程中岩石不同微元体之间转化关系的量化。其中开口裂隙演化曲线呈先下降后上升趋势,反映初始开口裂隙在压密阶段前后的变化规律,符合压密阶段非线性的应力-应变曲线关系。随后,以岩石裂隙演化解析表达式定义岩石压缩破坏的全局损伤变量,精准量化岩石在初始阶段、压密阶段、弹塑性阶段以及峰后阶段的全过程损伤程度,并提出基于上述裂隙演化机制和全局损伤变量的损伤本构模型。最后,基于微分方程理论推导、强度准则以及多目标优化等多种手段确定损伤本构模型参数,完成对岩石三组分初始比例以及3种裂隙转化因子的稳定求解,进而实现岩石压缩过程中的应力应变曲线仿真。研究结果表明:在煤岩及炭质泥岩的实例分析中,所建立的损伤本构模型能够较好表征不同岩石在不同围压下的应力应变特征及裂隙扩展规律,模型仿真结果与试验结果基本吻合。

基于损伤耦合演化过程的黏土-结构物界面统计损伤本构模型

为了评估粗糙度对土与结构物界面强度特性的影响,首先,开展不同法向应力条件下黏土和不同粗糙度黏土-结构物界面强度的直剪试验,分析了土体剪切面强度和界面强度的相互关系;其次,利用图像处理软件分析黏土-结构物界面的剪切机理,提出了考虑结构物表面粗糙度影响的界面损伤耦合演化过程;第三,引入考虑界面粗糙度影响的等效初始损伤因子,基于连续损伤理论和统计强度理论建立了考虑界面损伤耦合演化过程的黏土-结构物界面统计损伤本构模型;最后,结合室内试验结果验证了模型适用性。研究结果表明:在相同法向应力条件下,界面粗糙度越大,界面强度越接近土体强度;界面强度与结构物表面粗糙度呈幂函数关系增加,其增长速率随结构物表面粗糙度增加而降低;黏土-结构物界面剪切全过程的损伤演化过程可分为等效初始损伤阶段和加载损伤阶段,其中,等效初始损伤阶段受界面粗糙度影响,加载损伤包括受荷损伤和耦合损伤。本文模型所得结果与试验结果的吻合度较高,能较好地反映黏土与结构物界面损伤本构特征。

钛合金室温受压蠕变损伤本构模型

为了解决工程上在评估深潜器耐压壳体安全可靠性时不考虑拉压蠕变破坏机理产生的差异,会导致较大计算误差问题,本文提出了适用于室温蠕变的蠕变损伤本构模型。通过分析钛合金材料蠕变特性,考虑了室温环境下位错堆积造成的蠕变阻力,并且位错堆积的现象与时间有关。基于微分自洽法提出了适用于室温环境下的钛合金蠕变本构模型,得到受压情况下TC4ELI的相关材料参数,并将该模型用USDFLD和CREEP子程序进行定义。研究表明:对于受压结构而言,使用通过拉伸蠕变实验得到的本构模型的计算结果会过于保守,对于含V型缺口平板受压时等效蠕变应变的相对误差为168.20%。本文所提出的模型适用于环肋耐压壳结构的蠕变损伤分析。

粗骨料UHPC单轴拉伸性能及损伤本构模型

通过单轴拉伸试验,研究粗骨料用量和钢纤维的掺量、类型及混杂配比对粗骨料超高性能混凝土(CA-UHPC)受拉性能的影响,揭示了CA-UHPC破坏机理以及粗骨料与钢纤维的相互作用机制.结果表明:粗骨料引起的薄弱界面和空间阻隔作用削弱了钢纤维的增韧作用,CA-UHPC拉伸性能随粗骨料用量增大而降低,建议其用量不超过450 kg/m^(3);增大钢纤维掺量能改善CA-UHPC拉伸性能,且平直钢纤维的增韧作用更稳定;1.0%平直和1.0%端勾钢纤维混杂时,其与粗骨料匹配良好,钢纤维有效利用率达到25.4%,能够充分发挥混杂纤维的协同增韧作用.最后建立了考虑粗骨料和钢纤维影响的CA-UHPC受拉损伤本构模型.

基于动态损伤速率的岩石损伤本构模型

【目的】本构模型是描述岩体变形破坏特性、表征其力学行为最有效的方法,针对岩石受荷过程中损伤速率变化建立动态损伤演化方程及本构模型成为岩体力学重要内容。【方法】为进一步深入研究荷载作用下岩石变形破坏全过程,将受荷岩石抽象为损伤和未损伤2部分,且未损伤部分承担有效应力,损伤部分承担残余应力,基于动态损伤速率的演化特征,建立动态损伤演化方程及本构模型,通过红砂岩常规三轴压缩试验结果验证模型的合理性。【结果和结论】结果表明:模型理论曲线可较好地反映岩石受荷损伤破坏的力学行为,其动态损伤演化依次经过损伤不变、损伤加快扩展、损伤缓慢增加和完全损伤4个阶段,分别对应理论曲线的压密-弹性变形、塑性变形、峰后软化和残余变形阶段;随着围压的增加,岩石动态损伤累积速率减缓,说明围压可抑制损伤扩展,表现为岩石抗压强度的增加和塑性特性的渐次增强;最大损伤速率较为接近峰值点,并在其右侧应力下降阶段,且对应的损伤变量在不同围压下基本一致;模型参数f增加,岩石强度及塑性变形增加;模型参数m减小,岩石强度增加,但对岩石损伤变形影响较小。通过建立的演化方程及本构模型,探讨了最大损伤速率点的特征及模型参数对岩石强度和损伤变形的影响,对岩石力学的发展有重要的参考价值。

纳米SiO_(2)-CaCO_(3)混凝土损伤本构模型及能量演化特征

采用纳米SiO_(2)-CaCO_(3)混合掺入混凝土中,对混掺纳米SiO_(2)-CaCO_(3)混凝土进行了受压性能试验,基于损伤力学理论和能量耗散原理分析了纳米SiO_(2)-CaCO_(3)增强混凝土的本构关系,建立了普通混凝土和纳米SiO_(2)-CaCO_(3)混凝土损伤本构模型。结果表明:混掺纳米材料比单掺纳米材料对提升混凝土强度效果更佳,强度最大增幅为31.46%;混掺纳米材料显著降低了混凝土的弹性应变能释放速率,增大了混凝土的总应变能和耗散能,从而提高了混凝土的延性和韧性。基于SEM微观测试结果揭示了纳米材料对混凝土增强效应的作用机理。

7075铝合金的能量耗散规律及动态损伤本构模型

为了研究7075铝合金的动态力学性能及断裂损伤规律,采用蠕变疲劳试验机和分离式霍普金森拉杆(Split Hopkinson Tension Bar,SHTB),对7075铝合金进行了准静态拉伸试验及冲击动态拉伸试验,得到了准静态及动态拉伸应力-应变曲线。由这些曲线可知,7075铝合金的应变率效应明显,随着应变率的增加,动态增长因子近似呈线性增长。为了进一步研究7075铝合金在高应变率下的力学行为及本构模型,根据能量耗散理论,分析了材料的能量-时程曲线与耗散能规律,结果表明,耗散能随着应变率的增大而增大。随后,采用Johnson-Cook本构模型,引入基于能量耗散理论的损伤因子建立动态拉伸本构模型,并对试验曲线与理论曲线进行对比发现,两项结果拟合良好,表明该模型具有很好的适用性。

U75V钢轨钢耦合损伤循环塑性本构模型研究

针对我国重载铁路和地铁用钢在实际服役过程中的全寿命棘轮行为,开展U75V钢轨钢耦合损伤循环塑性本构模型研究。首先通过不同平均应力和不同应力幅值的循环实验,研究U75V钢轨钢在室温下的全寿命棘轮行为;然后基于损伤力学和循环塑性框架,采用损伤修正的Chaboche随动硬化模型,引入指数型损伤演化律,建立耦合损伤的循环塑性本构模型;最后针对材料的失效模式,建立基于损伤临界值的疲劳失效判据,预测失效寿命。研究结果表明,模拟循环稳定时的棘轮应变率误差小于22.0%,失效时的棘轮应变误差小于38.0%;预测U75V钢轨钢的低周疲劳寿命均在1.5倍误差带内。总的来说,该耦合损伤循环塑性本构模型能描述U75V钢轨钢在非对称单轴应力循环下的全寿命棘轮行为。

考虑率效应的Ladeveze本构模型在复合材料损伤失效中的研究

为研究单向纤维增强复合材料在单轴载荷作用下的承载特性与失效模式差异,对复合材料单向板承载时的塑性累积与损伤演化等力学响应进行了有限元预测.首先,引入基于2D连续介质损伤理论的Ladeveze本构模型,并将其看作平面应力问题.考虑材料塑性行为的影响,并假定塑性强化为各向同性强化,利用FORTRAN编程语言对LS-DYNA进行二次开发,编写了基于Ladeveze损伤本构模型的用户材料子程序.利用LS-DYNA建立复合材料单向板的有限元仿真模型,研究了其在承受纵向拉伸、纵向压缩、横向拉伸,面内剪切等载荷下的典型失效行为,并与试验结果进行了对比,然后对所编写子程序的有效性进行了验证.最后,引入对数型率相关修正函数,对复合材料承受不同应变率载荷下的破坏行为进行了预测,研究了单向纤维增强复合材料率效应敏感度与承载组分之间的关系.