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。

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。

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。

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1000 s拉伸、1000 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论文拓展行为。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,论文拓展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。

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。

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。

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.

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。

基于用户心智模型强化与再构的界面设计流程研究

为了进一步探索心智模型理论,将其作为工具应用到界面设计中,试图探索出一种在用户心智模型引导下的界面设计流程。以心智模型理论为基础,探讨了用户心智模型强化的设计程序与方法、用户心智模型再构的设计程序与方法,并且论述了在界面设计中如何运用用户心智模型强化与再构提升产品界面可用性。总结出基于用户心智模型强化与再构的界面设计流程。通过对3个方面的研究,总结出一种基于用户心智模型强化与再构的界面设计流程,为提升界面信息呈现与用户心智的匹配提供新的设计思路,为产品界面设计提供了新的理论支持。

新型三明治夹芯金属橡胶毡垫本构模型研究

对新型三明治夹芯金属橡胶毡垫的本构模型开展了预测研究.在分别考虑由上、下金属丝表层与不同丝材和丝径相互混压而成的多层夹芯结构形式的基础上,基于微弹簧单元理论和串/并联刚度分析法,创建了新型三明治夹芯金属橡胶毡垫的本构模型.定义了未接触、滑移接触和挤压接触3种接触状态,在推导获得不同接触状态下该毡垫的加载和卸载刚度后,实现了应力-应变曲线的预测.最后,对由铜丝和不锈钢丝构成的多款三明治夹芯金属橡胶毡垫样件开展了准静态压缩测试.实验结果表明,所建立的本构模型的最大刚度预测误差为9.1%,最大损耗因子预测误差为10.7%,具有较好的预测能力,且新型金属橡胶毡垫相比于传统金属橡胶毡垫具有更好的减振能力.相关研究成果可为新型金属橡胶毡垫构成的结构系统的关键力学参数计算与分析,提供重要的模型工具.

三维动静加载下煤的本构模型及卸荷破坏特征

为研究非静水压条件下煤体动力学性能及动力扰动后卸荷破坏特征,在三维动静加载实验的基础上,研究了卸荷方式对动力扰动后卸荷煤样宏观破坏特性的影响。首先,采用Ф50 mm的分离式霍普金森压杆系统,开展三维动静加载下煤样的动力学实验,研究轴压、应变率对煤样动力学响应规律的影响;其次,基于响应曲面理论,借助中心复合试验法,构建考虑因素交互作用的回归模型,并分析单因素及因素交互作用的显著性;然后,结合因素交互作用、Weibull分布、Drucker-Prager准则,修正煤的强度型统计损伤本构模型,对比理论与实验结果,验证模型可靠性;最后,借助加卸荷电液伺服装置,探究轴压、冲击气压、卸荷方式对煤样破坏特征的影响及作用机制。结果表明,构建的强度型统计损伤模型,相关系数R~2≥0.88,可表征煤样动力学响应行为。冲击后同步卸荷的煤样多呈层裂破坏,拉伸界面随轴压增大而后移直至消失,无法形成层裂破坏;非同步卸荷下煤样破坏形式主要包括整体完整、层裂、压剪破坏,而当冲击气压0.4~0.6 MPa,轴压14.5 MPa时,表现为“层裂+压剪”混合破坏。

热损伤花岗岩能量演化机制及损伤本构模型

对25、200、400、600、800℃处理后的花岗岩开展单轴压缩试验,研究了温度变化对花岗岩力学性质、能量演化机制的影响,并建立了不同温度处理后的花岗岩损伤本构模型。研究结果表明:温度由25℃增加至800℃时,花岗岩峰值应力和弹性模量逐渐减小,峰值应变逐渐增加,花岗岩逐渐由脆性向延性转变。高温后花岗岩能量演化曲线具有相似性,峰前弹性能逐渐增大,耗散能先增大后减小,峰后弹性能急剧减小,耗散能突增。峰值应力处花岗岩总能量和弹性能随温度增加呈先增大后减小的规律,耗散能随温度增加逐渐增大。弹性能耗比变化反映了热损伤花岗岩损伤变形阶段的转变,随着温度增加,热损伤花岗岩压密阶段占比增加,弹性和塑性变形阶段占比降低,峰后阶段占比增加。通过弹性能耗比识别了热损伤花岗岩应力—应变曲线压密阶段,并基于损伤力学和Weibull统计分布理论建立了考虑压密阶段热损伤花岗岩分段本构模型,该模型理论值与试验值具有良好的一致性,能够准确描述热损伤花岗岩的变形破坏过程。

非涡流电磁成形中铝合金板料本构模型建立

非涡流电磁成形是一种新型电磁成形工艺,通过在金属工件上直接施加脉冲电流来代替感应涡流,实现工件高速变形,其速度达到102 m/s,应变率高达103 s-1,该工艺没有复杂的线圈结构,电磁力也更为均匀。针对5052-O铝合金薄板进行了非涡流电磁成形试验及有限元模拟,采用逆向识别方法对Cowper-Symonds和Johnson-Cook高应变率本构模型中的参数进行确定,并预测了5052-O铝合金在高应变率下的流动应力。通过比较模拟与试验中试样标记点的变形高度、厚度及应变,证实了Johnson-Cook硬化模型在描述5052-O铝合金硬化行为时更为精确。最后,基于确定的参数进行了验证实验,实验数据与模拟结果相互印证,证实了模型的可靠性。

TRIP980钢的组织性能调控与动态本构模型

设计了一种相变诱导塑性(TRIP)钢,研究了贝氏体等温温度对力学性能和微观组织的影响。针对最优工艺,研究了10^(-4)~10^(3) s^(-1)应变速率范围内的动态力学性能,构建并修正了动态本构数学模型。结果表明:当贝氏体等温温度为380℃时,实验钢具有最优的静态力学性能(应变速率10^(-3)s^(-1)),屈服强度达到705 MPa,抗拉强度达到1005 MPa,伸长率为16%,强塑积达到了1.6 GPa·%。应变速率的变化对实验钢的硬化行为和TRIP效应的发生有明显的影响。当应变速率达到10^(3) s^(-1)时,屈服强度和抗拉强度分别达到了815和1145 MPa,分别提高了12.4%和13.9%。经A4系数修正后的动态本构数学模型表明,R值和eAARE的平均值分别达到0.9895和27.5%,具有较精确的预测精度。

粉砂质泥岩蠕变特性与非线性黏弹塑性本构模型

针对边坡、隧道工程中粉砂质泥岩长期稳定性问题,采用DZSZ-150型多场耦合岩石三轴压力试验机,利用粉砂质泥岩相似材料试样,开展不同围压下粉砂质泥岩蠕变试验。根据蠕变试验结果建立可描述粉砂质泥岩蠕变全过程的非线性黏弹塑性本构模型,以7 MPa围压下蠕变试验结果为例,对所提出的蠕变本构模型进行合理性和可行性验证。结果表明:试样的稳态蠕变速率与偏应力大小有关,随着偏应力的增加,试样稳态蠕变速率与偏应力之间符合指数函数关系;在加速蠕变阶段的蠕变速率相对低偏应力水平下减速蠕变和稳态蠕变速率明显要增大很多,且非常短时间内就发生了蠕变破坏;提出一种描述粉砂质泥岩全蠕变过程的非线性黏弹塑性本构模型,该模型能描述粉砂质泥岩蠕变-破坏全过程的蠕变变形规律,反映了粉砂质泥岩在不同偏应力水平作用下的蠕变特性,克服了经典模型中无法准确描述加速蠕变过程的难题。

静力荷载作用下微观负泊松比锚杆的本构模型

微观负泊松比(NPR)锚杆具有高应力和高均匀延伸的力学特性,但其本构模型的研究还不够深入。故对此开展了静力荷载作用下微观NPR锚杆的拉伸试验,研究了静力拉伸过程中微观NPR锚杆的应变场演化规律,得到了静力荷载作用下微观NPR锚杆的应力-应变关系曲线。基于试验结果,建立了微观NPR锚杆的本构模型,并将该本构模型嵌入到ABAQUS有限元软件中,开展了静力荷载作用下微观NPR锚杆的数值分析。对比试验结果和数值分析的结果可以看出,两者具有较好的一致性,表明所建立的本构模型能够较好地表现微观NPR锚杆的力学特性。

用于三维机织物预成形变形预测的各向异性超弹性本构模型

随着三维机织物逐渐广泛应用在航空发动机叶片、机匣等复杂曲面结构的制造方面,预测三维碳纤维机织物在曲面结构制造的预成形过程中的复杂变形行为对提升纤维结构的成形质量具有重要意义。基于连续介质力学理论,本文提出一种各向异性超弹性本构模型描述三维机织物在成形过程中由于大变形所引起的各向异性力学变形行为。通过三维机织物的变形试验,建立了应变能密度函数,获取了三维机织物材料参数,并通过偏轴拉伸、半球冲压预成形有限元仿真与试验对比,验证了本文提出的超弹性本构模型的有效性。超弹性本构模型的提出可对三维机织物成形的有限元仿真模型与成形工艺优化设计起指导作用。