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。

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。

模拟爆炸冲击加载下岩石破裂行为的改进JH2模型

JH2模型广泛应用于模拟脆性材料的动态力学行为,但是其强度准则和损伤定义存在一定不足,因此本文针对爆炸冲击荷载作用下的岩石材料提出了一个改进JH2模型.首先为强度模型增加了初始屈服面和非线性损伤尺度因子,对拉伸和压缩损伤分别进行拉压不对称处理,并将体积塑性应变引入到压缩损伤中.将该模型嵌入LS-DYNA材料子程序后,开展一系列单元测试、分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB)动态劈裂试验和岩石爆破试验的数值模拟.数值模拟结果表明:改进后的JH2模型克服了原始JH2模型在损伤演化的拉压不对称特性、非线性应变硬化行为、洛德角效应和体积行为等方面的不足,证明了本文所提改进JH2模型的预测精度和应用潜力.

考虑蠕变损伤的Q_2黄土流变本构模型

根据Q2黄土的流变特征,其粘弹性特性可采用五元件广义的Kelvin模型来描述,其线性粘塑性特性可用与一滑块并联的Maxwell模型来描述,而非线性粘塑性特性,可通过损伤与塑性应变的耦合作用来反映。在考虑黄土瞬时损伤、蠕变损伤及黄土粘弹塑性组合模型的基础上,应用应变等效原理,建立了蠕变损伤流变本构模型,并通过拟牛顿法确定了相应的模型参数。该模型能够较好地描述黄土的加速蠕变过程,具参数少、适用性广的特点。

Q_2黄土统计损伤本构模型

利用黄土微元强度服从Weibull随机分布的特点,引进Drucker-Prager破坏准则作为黄土微元强度分布参量,基于Q2黄土三轴应力-应变试验曲线,同时考虑了损伤门槛值的影响,建立了反映Q2黄土损伤全过程的损伤软化本构模型。在此基础上,探讨了Q2黄土损伤软化模型参数与围压和黄土含水量的关系,对其参数进行了合理修正,从而建立了更加符合实际的黄土损伤软化本构模型,并与试验结果进行对比分析,结果显示该模型的合理性,表明该模型具有广泛的工程应用前景。

延安Q_2黄土统计损伤本构模型研究

中国黄土的物理力学性质改变具有明显的地域性,是一种特殊土体。以延安Q2黄土在不同围压和含水量下进行常规三轴试验获得的数据为基础,运用岩石统计损伤理论对延安Q2黄土的损伤本构模型进行研究。在考虑损伤门槛值对延安Q2黄土损伤变量的影响下,建立了延安Q2黄土在三轴压缩条件下的统计损伤本构模型,统计损伤本构方程中的参数通过对试验结果进行线性回归求得。试验和分析表明:在半对数坐标下,延安Q2黄土初始损伤点为三轴应力应变曲线的峰值拐点,对应的应力值为损伤应力门槛值。当施加的应力低于损伤门槛值时,应力应变曲线为线弹性关系,延安Q2黄土不发生损伤;而当施加的应力超过损伤门槛值时,延安Q2黄土发生损伤,并且随着施加的应力增大,损伤不断扩大。将统计损伤理论曲线与试验曲线进行对比,发现二者基本吻合,表明考虑损伤门槛值的延安Q2黄土统计损伤本构模型能较好的反映该地区黄土的变形破坏特征,对该区黄土地区岩土工程设计具有参考和借鉴作用。

退火T2纯铜单向拉伸损伤本构模型的研究

利用SEM、OM、MTS试验机等分析和测试了T2纯铜薄板的显微组织和力学性能,研究了晶粒尺寸和临界损伤因子对T2纯铜力学行为的影响,建立了T2纯铜的双线性弹塑性本构模型,量化了晶粒尺寸和微观组织演变对宏观力学行为的影响.结果表明,在其他变形条件相同的情况下,随着晶粒尺寸的增大,材料的屈服强度和抗拉强度减小.T2纯铜的强度随着临界损伤因子的增大而提高.晶粒尺寸和临界损伤因子相同时,材料的形状因子随着应变的增大具有相似的增大趋势.模型得到的预测值与实验值具有较高的一致性,可以准确的揭示T2纯铜在不同退火温度下宏观变形与微观组织演变之间的关系.

Zr基非晶合金JH-2模型的构建及应用

为构建Zr62.5Nb3Cu14.5Ni14Al6非晶合金在高压、大应变、高应变率状态下的材料模型,采用根据实验数据理论推导和数值模拟对比反馈的方法,对材料的Johnson-Holmquist本构模型(JH-2模型)参数进行了研究:材料的静水压力-体应变关系通过平板冲击实验数据和理论推导得到;无损材料强度与应变、应变率的关系通过轴向压缩实验数据确定;材料损伤参数与破碎材料强度参数的关系通过平板冲击实验数据确定;破碎材料强度参数通过数值模拟与实验结果对比的反馈法得到。将材料模型应用于平板冲击和破片侵彻的数值模拟,通过数值模拟与实验结果对比的方式,验证材料模型的准确性。结果表明,平板冲击实验中,材料的自由面粒子速度曲线与数值模拟结果吻合度较高;破片侵彻实验中,破片对钢靶的侵彻深度、开坑孔径与数值模拟结果的一致性较好,构建的材料模型较准确反映了材料的动态力学特性。

工业环境SO_(2)腐蚀混凝土损伤本构模型研究

为研究工业环境SO2腐蚀混凝土的应力-应变特征,揭示SO2腐蚀混凝土力学性能损伤规律,开展了工业SO2环境混凝土腐蚀试验,分析了水胶比(0.37、0.47、0.57)、粉煤灰掺量(0%、10%、20%)和不同腐蚀循环次数对混凝土损伤层厚度、应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变及弹性模量的影响。基于损伤力学理论,建立工业环境SO2腐蚀混凝土单轴压缩损伤本构模型。结果表明:混凝土损伤层厚度随着SO2循环次数的增加而增大,变化规律符合指数函数关系;SO2腐蚀后混凝土试件的峰值应力下降,峰值应变增加,弹性模量下降,曲线下降段变陡峭,变形能力降低,表现出明显脆性破坏特征。掺加粉煤灰可以减缓SO2腐蚀损伤速率,提高混凝土抵抗SO2腐蚀的能力。

高温损伤后岩石动态损伤本构模型

为了研究高温损伤后岩石动态本构模型,通过组合建模的方法,引入裂隙体,并与损伤体串联,经理论推导,最终建立了高温后岩石全过程动态本构模型。随后开展了25~600℃温度处理后的花岗岩动力冲击试验。研究结果表明:随着温度升高,花岗岩动态峰值应力减小,弹性模量则先增大后减小;核磁共振测试结果能够定量描述高温引起岩石内部孔隙以及孔径分布,T2谱面积随温度升高呈现指数增长规律;试验结果验证了高温损伤后岩石动态损伤本构模型的适应性,理论计算结果与试验数据相关性达0.98以上;裂隙体参数a和b控制了应力应变曲线压密段的曲线形状,且曲线对参数a更为敏感。

陶瓷材料宏观动态新本构模型

基于已有混凝土材料的相关研究,建立了陶瓷材料在动态载荷作用下的宏观本构模型。模型中状态方程采用多项式描述,强度面模型中考虑了压力相关性、Lode角效应、应变率效应、剪切损伤及拉伸软化等的影响。采用一个新的函数来描述陶瓷材料的强度面,其在较高压力下趋于一个平台值;并采用动态增强因子(DIF)考察剥除惯性效应后陶瓷材料的真实应变率效应。通过将模型预测的压力-体应变响应、准静态强度面以及应变率效应与相关实验数据进行对比,验证了该模型。单个单元测试模拟得到的结果与三轴实验数据以及侵彻实验数据高度吻合,进一步验证了此模型。为显示模型的优越性,还与JH-2模型的预测结果进行了比较。结果表明:所提出的本构模型能够很好地预测陶瓷材料在不同加载条件下的力学行为,且优于现有的模型。

透明陶瓷夹层结构冲击响应及BP神经网络预测

首先,选择以蓝宝石陶瓷为迎弹层、二氧化硅无机玻璃和聚碳酸酯有机玻璃为吸能层和聚氨酯为胶结材料的透明夹层结构为研究对象,采用一级轻气炮对试样进行了冲击实验,试样呈现陶瓷层弯曲失效破坏主导和冲击压缩破坏主导的2种破坏模式,通过高速摄像详细记录裂纹动态扩展过程。然后,采用Abaqus有限元软件对多组结构层厚度配比的透明夹层结构进行120、150、180 m/s速度的弹体冲击模拟,针对陶瓷材料引入了基于JH-2本构模型的子程序,并结合单元删除法,对裂纹扩展和碎片飞溅过程进行了数值模拟。模拟结果与实验结果吻合较好。最后,采用BP神经网络算法对冲击点后侧位移峰值进行了预测,单层和多层神经网络模型平均计算耗时分别为1和3 min,与位移峰值的数值模拟结果相比,2种神经网络模型预测结果的平均相对误差分别为7.6%和3.2%。该BP神经网络模型计算时效和精度都满足要求,相比传统消耗5 h的有限元计算,节省大量时间,可对透明夹层结构的设计提供指导。

高压水射流冲击破岩损伤场分析

以Johnson-Holmquist modelⅡ(JH-2)脆性材料本构模型来表征岩石的力学特性,利用光滑粒子流(SPH)和有限元(FEA)耦合算法建立高压水射流冲击破岩过程的数值模型,很好地模拟水射流损伤破岩过程中岩石失效、裂纹扩展以及不同位置岩石单元的损伤程度随时间变化的过程。此外,模拟分析射流冲击速度、入射角以及平移速度对岩石损伤场的影响。研究结果表明:岩石的损伤破坏、裂纹扩展是剪切和拉伸共同作用引起的,且近射流冲击点的损伤破坏由剪切作用主导,而放射性裂纹和层状裂纹的扩展主要由拉伸作用主导;岩石单元的损伤值随时间呈阶跃性变化,且射流冲击损伤破岩过程为微秒量级;射流冲击损伤破岩的入射角存在一个有效范围,当入射角大于70o时损伤破岩效果较好;射流冲击速度较低时以表面冲蚀岩石为主,射流冲击速度达到一定值才能使岩石损伤破坏,出现放射性裂纹和层状裂纹;射流平移速度与冲击速度相比很小,对岩石的损伤场影响不明显。

传爆药静态压缩力学性能及损伤特性研究

为研究聚黑-14C(JH-14C)传爆药静态压缩力学性能及损伤特性,开展准静态压缩实验,获得了不同应变率下的应力-应变曲线,建立了描述不同应变率下JH-14C力学行为的非线性本构模型;利用扫描电镜(SEM)对回收试样进行细微形貌观测,获得了准静态压缩JH-14C损伤特性的表征。结果表明:JH-14C压缩强度随应变率的升高而提高;实验与计算结果对照验证了本构模型的有效性;准静态压缩实验中,JH-14C主要损伤模式为脱湿和穿晶断裂。

深层处置库开挖损伤区深度预测

深层地质处置库(DGR)中开挖损伤区(Excavation Damage Zone,EDZ)深度表明三个区域是常见的,并且通常与应力诱发损坏有关。在传统工程软件中捕获损伤的一种方法是损伤起始和剥落限制(DISL)方法且已经评估了使用此方法的适用性,并且建议用于确定在脆性岩体中挖掘的EDZ的深度。通过有限元软件Phase2以北山坑探设施横断面结构形式在700m深度进行开挖模拟,围绕开挖过程中岩石的损伤特性、EDZ的形成机理、深度预测、EDZ数值模拟方法等一系列问题展开研究。研究发现:岩石从高损伤区进入损伤区的迹象是:最小主应力逐渐增大,体积应变与剪应变急剧减小;损伤区内、外边界的分区指标是体积应变趋于零,屈服百分率急剧下降;屈服百分率减小到零时,标志着从损伤区向影响区的过渡;对于深层处置库,上述分区方法为准确确定损伤区域中每个区域的深度提供了新思路。

不同硬度30CrMnSiNi2A钢的动态本构与损伤参数

为研究材料硬度对30CrMnSiNi2A钢动态本构与损伤参数的影响,基于万能材料试验机、分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置,研究了4种不同硬度30CrMnSiNi2A钢的准静态和动态力学性能。利用屈服强度与应变率、等效塑性应变的关系确定了Johnson-Cook强度模型参数,通过失效应变与应力三轴度、应变率的关系确定了Johnson-Cook失效模型参数,分析了强度模型和失效模型中参数的变化规律。结果表明:随着硬度的增加,30CrMnSiNi2A钢的塑性减弱,脆性增强,应变率敏感性减弱;硬度对30CrMnSiNi2A钢的动态本构与损伤参数有显著影响。

单颗粒金刚石磨削SiC陶瓷有限元仿真与分析

为了模拟单颗粒金刚石磨削碳化硅陶瓷的加工过程,采用控制单一变量的方法,设置同一条件下不同工件进给速度的工艺参数,用Johnson-Holmquist ceramic本构关系建立有限元模型,仿真分析不同工件进给速度下单粒金刚石磨削碳化硅陶瓷的磨削力、磨削表面应力、磨削表面形貌和裂纹损伤.仿真模型数据与已有相同工况下的单粒金刚石磨削碳化硅陶瓷实验值吻合度较高,所提出的数值模型为金刚石砂轮设计、预测陶瓷磨削的磨削力、切屑去除和观察划痕形貌提供了高效的方法和理论依据.

ZrB_2基超高温陶瓷复合材料的高温拉伸损伤行为

开展了SiC(20vol%)-石墨(15vol%)/ZrB2复合材料室温及高温拉伸性能实验,发现高温时复合材料的拉伸强度和弹性模量有所降低,并且具有明显的非线性特征。引入热损伤来表征弹性模量随温度的衰减规律,利用强度统计分析方法确定单向应力状态下材料的机械损伤演化方程,建立了材料在热力耦合条件下的高温拉伸损伤非线性本构模型。分析表明:随着温度的升高,SiC-石墨/ZrB2复合材料的热损伤和机械损伤不断增加,延性增强,且脆性-延性破坏转变温度范围为1 250~1 350℃。

基于LS-DYNA的石英玻璃旋转超声铣削仿真研究

基于LS-DYNA有限元仿真平台对石英玻璃旋转超声铣削过程进行了建模仿真,分析了材料去除过程中刀—工作用区应力场分布特性,研究了金刚石刀具高频往复冲击时复合作用导致的裂纹萌生与扩展以及材料去除机理。对比超声辅助端面铣削试验结果,在一定程度上验证了有限元仿真模型的有效性。

弹丸撞击下花岗岩靶破坏效应实验与数值分析

对不同速度弹丸撞击花岗岩靶产生的弹坑深度和裂纹长度进行实验和数值分析。利用轻气炮进行五发实验,得到3种撞击速度下的弹坑直径、弹坑深度、靶板表面裂纹分布等破坏效应,并对撞击速度为654 m/s的正侵彻实验靶进行切割,得到靶板内部的裂纹分布情况。采用非线性动力学软件Autodyn对正侵彻花岗岩实验进行数值模拟。将Johnson-Homquist损伤本构模型(JH–2模型)与拉伸断裂软化模型相耦合,来模拟靶板内高应力区材料的压缩和剪切破坏效应,以及低应力区靶板在主拉伸应力作用下产生的损伤和裂纹扩展。相对于传统有限元计算中删除单元形成裂纹的处理方法,本文采用SPH算法,通过定义损伤来描述材料的压缩破坏以及由剪切和拉伸断裂形成的裂纹。模拟得到的弹坑尺寸以及裂纹长度与实验结果符合较好。根据模拟结果进行数值试验,拟合出不同撞击速度下的弹坑深度和裂纹长度的经验关系式。相关方法及材料模型参数可为后继实验和相关数值模拟提供参考。