EFFECT OF THE POISSON RATIO ON THE PERFECTLY PLASTIC STRESS FIELD AT A STATIONARY PLANE-STRAIN CRACK TIP

Under the condition that all the perfectly plastic stress components at a crack tip are the functions of ? only, making use of equilibrium equations and Von-Mises yield condition containing Poisson ratio, in this paper, we derive the generally analytical expressions of perfectly plastic stress field at a stationary plane-strain crack tip. Applying these generally analytical expressions to the concrete cracks, the analytical expressions of perfectly plastic stress fields at the stationary tips of Mode I, Mode II and Mixed-Mode I-II plane-strain cracks are obtained. These analytical expressions contain Poisson ratio.

不同初始状态下黄土的平面应变卸载力学特性

针对于黄土工程中的平面应变卸载问题,利用平面应变改造后的真三轴仪,开展了不同初始状态(原状、重塑和饱和)黄土在不同固结围压和含水率条件下的平面应变卸载试验,揭示了不同初始状态黄土的应力-应变演化关系、中主应力特性和强度特性。研究结果表明,不同初始状态黄土的应力-应变曲线在低含水率和低围压条件下呈现理想塑性,随着固结围压和含水率增大,从弱硬化型向强硬化型转变;黄土的不同初始状态对应力-应变关系演化特性影响较大,原状黄土曲线最高,重塑黄土次之,饱和黄土最低;固结围压越大、含水率越低,初始切线斜率越大,应力应变曲线越高,土的强度发挥越快。原状和饱和黄土的中主应力和中主应力参数均先减小后增大,衰减幅度大,增长幅度小,中主应力参数的增长幅度要大于中主应力;重塑黄土的中主应力和中主应力参数则先减小后基本保持稳定。平面应变卸载条件下不同初始状态黄土的黏聚力和内摩擦角均随含水率增大近似呈现线性减小;不同初始状态对土黏聚力的影响要明显大于内摩擦角。原状黄土在低围压和低含水率条件下沿着剪切带形成明显的侧向滑移破坏,其余条件下均发生测胀破坏。

平面拉伸下聚氨酯裂纹板的裂纹扩展研究

聚氨酯(PU)因具有优异的物理化学性能,常用于一般工业与民用建筑中的屋面、地下室、浴室、卫生间地面等防水工程,但在长期服役过程中,难免会产生裂纹或微孔等缺陷,裂纹地萌生与扩展将劣化材料的使用性能,降低材料构件的承载力,甚至导致结构失效或安全事故。本文通过平面拉伸试验,探究了不同拉伸速率下聚氨酯裂纹板的力学性能及其裂纹扩展规律,研究结果表明,拉伸速率对裂纹板的应力应变关系、断裂失效时间以及裂纹扩展规律均有一定影响。

砾粒土卸载-再加载力学特性大型平面应变试验研究

针对水利和交通工程中平面应变类工程重复加卸荷问题,利用压力室平面应变改造后的西安理工大学大型土工真三轴仪在不同围压条件下对两种砾粒土进行固结排水平面应变卸载-再加载试验,研究了砾粒土在平面应变状态下的应力-应变关系和卸载回弹应变和卸载-再加载回弹坡度等力学特性。结果表明:砾粒土的颗粒圆度、孔隙比、母岩强度和围压均会影响剪切峰值应力及剪胀特性,颗粒圆度好、孔隙比小的砾粒土峰值应力较低且更易表现出剪胀特性,母岩强度低会促进应变软化并降低峰值应力,围压增大可抑制剪胀并使峰值应力增大;体积应变和广义剪应变卸载回弹量与应力水平和围压有关;回弹坡度随应力水平增大先增后减,密实度较大时回弹坡度较大;卸载-再加载过程中出现主应力轴旋转现象,零应变方向的应力并非一直为中主应力;回弹坡度显著大于初始切线坡度,回弹坡度与初始切线坡度之比随围压增大快速减小。

压缩剪切平面应变试样的应力状态响应

为模拟金属塑性变形过程中的压缩剪切应力状态的平面应变特征,构建了平面压缩剪切试样。通过数字图像相关(DIC)技术和有限元模拟表征变形区Y方向的应力状态分布特征及压缩断裂过程。DIC结果显示,在压缩实验过程中,变形区的应变场分布与有限元结果吻合良好,有限元结果可靠。有限元结果表明,通过改变试样的缺口倾角,可以定量控制应力三轴度的大小,并且主应变方向与缺口倾角方向一致。在变形区Y方向发生压缩剪切的平面应变,同时试样边缘位置相对于中心位置具有更低的Lode角参数,具有双向压缩加载特征,使得静水压力增大,应力三轴度进一步降低至-0.823。

基于热模拟试验机的大试样平面应变技术

使用热模拟试验机对大试样低碳钢进行了平面应变压缩热模拟试验,并对其各道次应力-应变曲线及相变温度进行分析,获得了低碳钢变形区的显微组织演变规律。通过调整热模拟试验机的参数,确保大试样在升温、保温和降温过程中保持温度稳定。结果表明:在保温阶段,试样的均温区尺寸(长度×宽度×高度)为30 mm×30 mm×20 mm,温差约为20℃,满足平面应变压缩试验对试样均温性的要求;压缩变形后试样的宽展较小,试样中间区域的显微组织相对均匀,力学性能较稳定。采用热模拟试验机的平面应变技术可以较好地模拟低碳钢压缩变形时的平面应变状态,实现同时分析材料的显微组织和力学性能。

基于Hansbo渗流的平面应变固结分析

为了考察非Darcy渗流对二维地基固结过程的影响,引入Hansbo渗流方程描述饱和黏性土中的渗流规律,修正了Terzaghi-Rendulic平面应变固结方程,并给出了有限体积法数值求解格式;采用不同的Hansbo渗流参数,分析了条形荷载作用下有限深度地基的固结特性。结果表明:Hansbo渗流延缓了平面应变固结的过程,并且随着Hansbo渗流参数的增大,超静孔压的消散变得更为缓慢,因此,按Darcy渗流对二维地基进行的常规固结分析将会高估其固结速率;与Biot固结理论相比,在Terzaghi固结理论框架内,条形荷载下固结初期地基中局部的孔压增大现象并不明显。研究成果可为探寻更为准确的饱和黏性土地基沉降预测方法提供理论基础。

岩石平面应变状态辨识特征与精度控制

水工隧洞等地下工程围岩可视为处于平面应变状态,为了认识岩石平面应变状态辨识特征,开展了系列离散元岩石力学试验。首先,阐述岩石平面应变试验的意义及问题;然后,通过实验室单轴结果标定一类花岗岩参数,从“数据”和“损伤”两方面分析了岩石平面应变状态的辨识特征;最后,探索了岩石平面应变试验侧限装置的精度控制阈值。结果表明:(1)通过分析平面应变压缩下岩样轴向应力、侧限墙应力、裂纹发育趋势,给出了3个特征数据点,揭示了岩石从损伤到破裂的阶段性变化过程;(2)平面应变压缩过程中的3个特征点界定了试样裂纹发育的演化规律;裂纹从零星分散发育到局部化发育,然后开始深化连通直到试样破裂;(3)建议岩石平面应变试验的侧限装置的位移允许值取单轴峰值点对应的单向侧应变,在该阈值控制下获得的“半平面应变状态”的特征点与“完全平面应变状态”的特征点基本吻合。

多轴非比例加载下考虑附加损伤的疲劳寿命预测

与比例载荷加载相比,在非比例载荷加载时由于附加损伤的产生,机械构件会出现明显的寿命缩短。本文通过分析非比例载荷作用下影响疲劳寿命的因素,提出一个新的非比例损伤因子,以最大剪切面为临界面,建立新的基于等效应变的疲劳寿命预测模型。新的多轴疲劳寿命预测模型不仅考虑法向应力对材料裂纹萌生与裂纹扩展的影响,而且通过引入材料附加强化系数与载荷路径的非比例度反映非比例载荷加载对多轴疲劳寿命的影响。采用5种材料在多轴载荷下的实验数据来验证本文模型的准确性,同时与两种经典模型进行对比,验证与对比分析说明,本文所提模型预测精度较好。

2024年1月23日新疆阿克苏地区乌什县M S7.1地震对周围断层的应力影响及对余震的触发作用

为研究2024年新疆阿克苏地区乌什县M S7.1大震对周边区域应力的影响,基于美国地质调查局(USGS)给出的主震破裂模型,计算此次地震对周边地区产生的同震位移场及应变场,结果发现:体应变在震源西北侧呈现拉张,东南侧呈现挤压;面应变的分布与体应变的形态基本相似。为研究该地震对余震的触发情况,首先需要确定接收断层的断层面参数,对中国地震台网发布的2024年1月23日到2024年4月10日的余震震源机制节面聚类分析,得到两簇结果,选择标准差较小的二簇节面进行平均,得到走向为243.91°,倾角为64.97°;将乌什地震震源区的构造应力场投影到该发震断层上,得到滑动角为61.02°。将这些参数作为余震接收断层的断层面参数,同样基于USGS给出的主震断层破裂模型,计算主震产生的静态库仑应力,研究发现:区内库仑应力均超过0.01 MPa阈值,且库仑破裂应力最大值达0.3 MPa,大多数余震处于库仑应力变化的高值区;表明主震产生的静态库仑应力促进了余震的发生。为研究该地震发生对周围断层的影响,根据前人给出的周边断层的几何和滑动特性,计算在周边断裂上沿滑动方向上的库仑破裂应力变化,研究发现:本次地震对迈丹—沙依拉姆断裂库仑应力最大增加量达到0.22 MPa,喀拉铁克断裂、衣木干他乌断裂、塔塔埃尔塔格断裂、奥兹格尔他乌断裂、柯坪断裂的库仑应力变化并不明显,迈丹—沙依拉姆断裂库仑应力增加最大,应注意该断层的地震活动性。

应力路径对粉土力学特性影响研究

为研究平面应变状态下不同应力路径对粉土力学特性的影响,采用平面应变仪,对粉土试样进行不同应力路径下的竖向加荷试验,并比较四种应力路径下土体的偏应力、侧向应变和竖向应变的变化规律,以及强度参数差异性。探究了初始干密度对不同加荷路径下偏应力、侧向应变发展规律的影响。结果表明,应力路径对于应力-应变曲线有很大影响,不同应力路径对土体变形强度影响明显。粉土干密度对于应力-应变曲线影响很大,随着干密度的增大,竖向应变和侧向应变增大幅度减小,呈负相关。

Prediction of plane-strain specimen geometry to efficiently obtain a forming limit diagram by Marciniak test

Plane-strain forming limit strain （also known as FLD0） is an important data point on a forming limit diagram （FLD）. The effects of friction coefficients and material parameters on the specimen width associated with the FLDo （W FLD0） in Marciniak test were studied by finite element simulation. WFLD0 was expressed as a function of the Lankford coefficients, n-value, k-value and sheet thickness and validated with various sheet materials. The determination of W FLD0 is of significance not only to reduce iterative attempts to accurately obtain FLDo, but also to obtain a full valid FLD with the least number of test specimens, which largely increases the efficiency and reduces cost to experimentally measure valid FLDs.

超导带材涂层结构边缘脱粘后的电磁应力分析

YBCO高温超导带材因其较高的临界转变温度和较强的电流承载能力等优点,在超导技术与应用领域受到了广泛的关注。其应用中出现的常见失效模式之一——“边缘脱粘”问题严重影响了结构的稳定性。基于此,针对超导带材边缘局部脱粘后的电磁力学响应问题展开研究,考虑结构受到垂直于带材表面的外部磁场激励,结合弹性力学平面应变方法,计算了超导薄膜内正应力与基底界面处切应力相关联的奇异积分方程,通过切比雪夫级数进行数值求解,给出了结构内的电磁应力分布。结果表明:在外加磁场作用下,超导薄膜内的正应力与薄膜-基底界面处的切应力在未脱粘区域呈对称分布,在边缘脱粘区域产生应力集中现象。带材边缘脱粘宽度的增加会导致薄膜内正应力增大,进而加剧脱粘边缘的进一步脱粘。基底硬度对结构内应力分布影响显著,硬基底材料对超导薄膜有较强的约束,可有效削减薄膜内正应力值。该文的分析可为高温超导带材的理论研究和实际应用供一定的理论基础。

QP和DP钢面内成形性能与边部成形性能对比研究

目的以宝钢生产的QP980、QP1180、DP980、DP11804种典型超高强钢材料为研究对象,进行QP、DP钢种材料面内与边部成形特性对比分析。方法采用单向拉伸设备以及成形试验机,并结合DIC分析技术,对4种材料的力学性能、面内成形性及边部成形性进行试验研究。结果与DP钢相比,同等强度级别QP钢的均匀延伸率及加工硬化系数均明显更高。在面内成形应变状态下,同等强度级别QP钢极限成形深度均明显大于DP钢的,但主、次应变大小差异不大。在边部成形应变状态下,同等强度级别QP、DP钢极限成形深度以及主、次应变大小均差异不大。QP、DP钢面内成形最大主应变均明显大于边部成形最大主应变。结论与同强度级别DP钢相比,QP钢具有更高的均匀延伸率及加工硬化系数。QP钢材料的加工硬化系数高,材料内部协同变形能力强,面内成形性能明显优于DP钢材料的,但两者的边部成形性能差异不大;QP、DP钢材料能承受更大的面内主应变,受边部加工硬化及毛刺的影响,冲裁后,边部应变明显降低,在QP、DP超高强钢零件设计制造过程中,应尽可能避免边部发生较大的变形。

含缓倾结构面的岩质桥址边坡地震稳定性评价及加固优化

桥址边坡地震稳定性评价在桥梁建设中十分重要,山区岩质桥梁桥址边坡稳定性多受结构面控制.文中依托某公路桥梁典型桥址边坡,利用有限元数值模拟技术,考虑了岩土材料应变软化特性,研究了含缓倾软弱结构面桥址边坡地震作用下安全稳定性.结果表明:考虑岩土材料应变软化的有限元数值仿真技术能较好地揭示含缓倾结构面的桥址边坡的多级潜在滑动特征.地震荷载作用加剧了坡内多级滑面的渐进发展趋势,多级滑面发育的时空顺序为:一级主滑面-二级主滑面-次级滑面,安全设计需要依据墩台部位的上下边坡地震工况下的稳定性进行.根据该桥主墩位置上下边坡地震的稳定性和变形特征,提出了针对缓倾结构面注浆加固和预应力锚索联合加固优化方案.

2A70铝合金平面应变压缩的流变行为与微观组织

在Gleeble-3500热模拟试验机上对2A70铝合金进行平面应变压缩试验,研究了合金平面应变压缩的流变行为与微观组织演变,变形温度为350~500℃,应变速率为0.01~1 s^(-1),变形量为65%。结果表明:流变应力随着变形温度的降低而升高,随着应变速率的减小而降低。建立了2A70铝合金的本构方程,以描述变形温度、应变速率和流变应力之间的关系。Z值可描述动态再结晶程度,动态再结晶程度随着Z值的增大而减少,低温高速的条件下动态再结晶程度较弱。变形组织中含有Brass、Goss和Cube等织构。通过改变合金的热加工工艺可以调控合金的组织和性能。

基于修正邓肯-张模型的沥青混凝土坝体应力变形分析

邓肯-张模型在平面应变状态和轴对称状态下的计算结果存在差异。为科学合理地评估沥青混凝土坝体在施工过程中的应力与变形规律,依据平面应变状态和轴对称状态下内摩擦角的参数转换关系,通过将轴对称状态的参数值修正为平面应力状态的参数值对邓肯-张模型进行修正,用修正后的模型进行分析。以沥青混凝土心墙坝为例,分析坝体心墙、过渡层和堆石区应力与变形在两种状态下的差异。结果表明,心墙大主应力沿高度方向分布呈底部剧降、中部缓降和顶部增大,靠近上下游侧的大小主应力分布特征相似,差异不显著;中心轴的主应力分布显著小于两侧,内部存在应力梯度,但未产生显著性的水平位移。在坝体中下部,平面应变的大主应力大于轴对称,前者的水平位移小于后者。在心墙坝填筑竣工后,心墙和过渡层大、小主应力变化较为剧烈,平面应变状态下计算出的主应力大于轴对称状态下计算出的主应力,在上下游堆石区内主应力变化较为平滑。

工程边坡附加荷载土压力计算研究

工程边坡坡顶附加荷载土压力计算是开展支护结构设计工作的基础,目前建筑类规范对一些特定形式的坡顶附加荷载土压力给出了计算方法,但对于任意附加荷载土压力仍缺少相应计算方法。鉴于此,以现有基坑边坡和建筑边坡规范涉及的计算方法为基础,提出了平面应变下可用于计算任意形式附加荷载土压力的计算方法,为岩土设计人员提供参考。

基于平面应变比的深基坑工程支护结构优化设计研究

基坑开挖是一个三维空间过程。以实际深基坑工程为背景,借助岩土工程有限元分析软件PLAXIS 3D进行三维建模,分析了基坑工程在三维条件下的变形特性,并引入平面应变比概念对支护结构进行优化。结果表明:基坑拐角效应对变形存在显著影响,通过考虑平面应变比对基坑支护结构进行优化设计,能够在保证安全的前提下节约成本,优化效果显著。研究成果可为类似工程的设计、优化提供参考。

中等应变率下纸蜂窝结构的力学性能研究

应用新研制的中应变率实验装置结合激光干涉测速系统完成了纸蜂窝结构的动态加载实验,研究纸蜂窝结构在中应变率下的力学性能;结合高速摄影和数字图像相关方法,得到纸蜂窝结构的变形过程和动态失效机制,并采用数值方法进一步探究其动态失效机制。结果表明:纸蜂窝结构表现出明显的应变率效应;厚度为2.10 mm的纸蜂窝屈服强度明显低于其他3种尺寸,表现出异常尺寸效应,应力-应变曲线下降段也有较大差异。产生异常尺寸效应的主要原因是,随着试样尺寸的增大,纸蜂窝结构的破坏模式发生了变化。中应变率加载过程中,纸蜂窝结构的失效机制为破坏模式的转变—由面外壁屈曲破坏转变为面内剪切破坏。本研究还利用数值模型分析了胞元宽度的变化对结构力学性能的影响,该研究结果对于薄壁结构的优化设计具有很好的参考意义。