基于灰色理论的脆性岩石抗压强度尺寸效应试验研究

采用相同直径不同高度的圆柱形白色大理岩及灰岩试样进行单轴压缩试验研究,验证了脆性岩石抗压强度在一定范围内随高径比的增大而减小的规律。依据岩石单轴压缩试验结果,基于灰色预测GM(1,1)模型建立了脆性岩石的单轴抗压强度与试件高径比之间的非线形关系式,该经验公式对脆性岩石具有统一的形式,同时通过式中参数a值反映了由于岩性、试验条件等不同而引起的强度差异。利用该关系式可以很方便地在相关岩土工程中为相似岩石估算其强度值提供参考、借鉴。

岩石材料应变软化尺寸效应的实验和理论研究

采用同直径不同高度的砂岩试件进行岩石全程应力．应变试验，发现了砂岩的应变软化尺寸效应，即峰值强度后随着试件高度增加，岩石脆性增大。对这一试验结果，采用梯度塑性理论进行分析，理论解和试验值取得了较好的一致性。

基于梯度塑性本构理论的岩样侧向变形分析(II):尺寸效应及弹性回跳

提出了利用不同尺寸试件的轴向应力-应变曲线得到轴向应力-侧向应变曲线的一种方法,并研究了结构尺寸对轴向应力-侧向应变曲线的影响。根据尺寸不同试件的轴向应力-轴向应变曲线的实验结果,并基于梯度塑性理论的解析解,在应变软化阶段,确定出了各种试件的剪切带条数。由此求出了不同宽度试样的轴向应力-侧向应变曲线。剪切带条数与试件宽度之比是决定轴向应力-侧向应变曲线特征的关键指标。若该比率为常量,则上述曲线不具有尺寸效应。当宽试件及窄试件在局部化启动后,在试件内部都出现一条剪切带时,随着试件宽度的增加,该曲线越陡,甚至出现回跳。上述方法也可用于分析轴向应力-环向应变曲线的尺寸效应问题。尺寸效应的原因是局部化,但局部化并非总引起尺寸效应。

基于偶应力理论的压杆屈曲载荷的尺寸效应

许多微尺度实验证实,一些材料在微尺度下的力学性能存在尺寸效应。基于修正偶应力理论研究细长压杆屈曲载荷的尺寸效应,利用变分原理得到细长压杆屈曲的控制方程和边界条件,求解相应的屈曲边界值问题。结果表明,当细长压杆的特征尺寸与其材料本征尺度参数相当时,其屈曲载荷显著增大,表现出明显的尺寸效应;而当细长压杆的特征尺寸远大于其材料本征尺度参数时,其屈曲载荷与传统理论值基本相等,即其尺寸效应消失。

基于灰色理论的混凝土压缩损伤参数尺寸效应

为解决混凝土损伤参数的尺寸效应问题,通过试验获得几组混凝土压缩试件的损伤参数。基于灰色理论进行混凝土压缩损伤参数的尺寸效应研究,建立预测方程,以试验测得的小试件初始损伤和峰值损伤数据为基础,预测大试件的初始损伤和峰值损伤。结果表明,大体积混凝土的初始损伤和峰值损伤均随混凝土尺寸的增大而增大,但最终均趋近于一个固定值,初始损伤趋近于0.182 7,峰值损伤趋近于0.352 6。

纤维束强度理论与土体抗剪强度的尺寸效应研究

从结构破坏的尺寸效应入手,利用纤维束强度理论,得到了材料的宏观统计力学效应。并以土力学强度试验中广泛应用的小尺寸、中尺寸和原位大尺寸抗剪强度试验为基础,对某土体强度进行了统计分析和蒙特卡洛模拟,统计结果揭示了土体强度的统计尺寸效应。研究认为,岩土体不同尺寸试样试验具有不同的强度值,按纤维束强度理论解释较为吻合;当试件尺寸大于中尺寸后,强度参数趋于稳定,其试样的强度代表性更好。

Au-MgF_2复合纳米颗粒薄膜有效介质理论的颗粒尺寸效应修正

在研究Au-MgF2复合纳米颗粒薄膜体系的光学行为时,Maxwell-Garnett理论及Bruggeman理论结果与实验结果之间存在一些差异,这些差异主要是由于Maxwell-Garnett理论及Bruggeman理论未考虑复合体系中金属纳米颗粒的尺寸效应。文章在考虑尺寸效应修正的基础上,得出了Maxwell-Garnett及Brugge-man理论结果;这些结果与实验值符合较好。

压痕尺寸效应的理论分析

针对微纳米尺度下材料硬度测试中出现的压痕尺寸效应(ISE),指出目前用于解释压痕尺寸效应较为常用理论方法;介绍了应变梯度塑性理论的发展过程,引入了几何必需位错密度的概念,详细地描述了Nix-Gao模型及其修正模型的产生,对于预测硬度随压痕深度的变化趋势提供了很好的预测;介绍了能量平衡方法的形成过程,通过描述Meyer方程、Hays-Kendall方法和比例试样阻力模型,推导出能量平衡方程,为分析试验结果提供了理论模型;通过理论公式推导,分析两种理论分析方法对于压痕尺寸效应分析的一致性.

Cosserat理论的有限元实现及微梁弯曲的尺寸效应模拟

由于传统连续介质理论的本构关系中不包含任何长度相关的量纲,因此它难以预测微电子工业设计与制造中常常遇到的微米尺度下的尺寸效应问题.通过建立Cosserat理论的变分原理和有限元基本方程,进而编制了相应的有限元程序GFEM2D,模拟了微米尺度下悬臂梁的尺寸效应.研究结果表明,随着内禀长度的增大,梁的抗弯刚度也增大.研究结果证明了Cosserat介质理论分析材料尺寸效应的可行性.

冻土脆性破坏统计理论及尺寸效应

在一定条件下,冻土具有明显的弹性属性,可以把冻土近似为线弹性材料,且属脆性破坏。基于这一考虑,应用Weibull脆性破坏统计理论,讨论了冻土破坏强度的统计特性及断裂韧度(K_(IC))的尺寸效应,通过试验,获得了冻结粉质壤土的K_(IC)尺寸效应系数,这样便可用室内小尺寸试件求得的断裂韧度去理论预测大比尺冻土的断裂韧度,应用试验测定的尺寸效应系数进行理论预测,与实测结果相比较,二者符合得很好。

基于应变梯度理论和面积坐标有限元的管线钢微观组织尺寸效应研究

研究在微细尺度下,有效模拟金属材料变形尺度效应的数值方法。将四边形面积坐标法与MSG应变梯度理论的本构方程相结合,通过用户子单元UEL加入到ABAQUS的数值模拟中。在有限元模拟过程中,采用传统八节点等参元时常遇到网格严重畸变的问题,而基于四边形面积坐标方法的单元却在网格严重畸变时仍然能够保持较高的精度,在非线性问题中有广阔的应用前景,而且经典理论无法解释试验中观察到的尺寸效应现象,因此采用MSG塑性应变梯度理论的本构方程解决尺度效应问题。应用文献中的数据对电抛光镍做数值模拟,以验证新的理论模型的正确性,对JX-2管线钢做试验研究,并对所得的铁素体、贝氏体、铁素体和贝氏体的双相体三种微观组织进行数值模拟,对比试验和模拟结果证明新的理论模型在工程中具有良好的可应用性,较传统塑性理论能更好地预测试验结果。

密度泛函理论研究簇合物(HFGaN_3)_n(n=1-6):尺寸效应

用密度泛函理论DFT方法,计算研究不对称簇合物(HFGaN_3)_n(n=1-6)的几何构型、稳定性、IR谱和热力学性质.结果表明,簇合物(HFGaN_3)_n(n=2-6)的优化构型拥有一个Ga和α-N原子交替的2n元环状结构.通过计算研究(HFGaN_3)_n(n=1-6)的平均结合能、二阶能量差分和能隙与团簇尺寸关系,发现后两者表现出明显的"奇—偶"振荡现象.对计算获得的IR谱进行归属,获得四个特征区.讨论了团簇尺寸和温度对(HFGaN_3)_n(n=1-6)热力学函数的影响.由焓变和吉布斯自由能可知,200-800K温度范围内由单体形成稳定的多聚体(HFGaN_3)_n(n=2-6)在热力学上有利.

基于广义弹性理论的微梁固有频率及模态的尺寸效应

经典弹性理论在近代工程技术中得到广泛应用,但其本构关系中不包含任何与尺寸相关的参数,因此不适用于微观结构,不能预测和解释尺寸效应.广义弹性理论增加了偶应力及其对应的曲率张量,完善了对小变形的几何描述,适用于微结构的尺寸效应研究.该文采用广义弹性理论,并结合Hamilton变分原理推导了悬臂微梁的振动微分方程,对微梁的固有频率及其模态进行了分析.结果表明,随着微梁厚度的不断减小,固有频率的尺寸效应与其对应的模态密切相关.扭转和弯曲模态包含了旋转变形,其对应的固有频率显著提高,表现出了显著的尺寸效应;而拉压模态不涉及旋转变形,固有频率未产生明显变化,没有尺寸效应.

混凝土断裂参数厚度尺寸效应的定量表征与机理分析

该文主要研究混凝土断裂参数的厚度尺寸效应,所进行的断裂试验属于国际材料与结构试验室联合会(RILEM)TC265-TDK委员会为制定双K断裂参数国际通用规范开展的国际联合试验的一部分。通过5组(共计29根)不同厚度(100~300mm)普通混凝土梁的标准三点弯曲试验,测定了双K断裂韧度KiniIc和KunIc、断裂能GF、特征长度lch等相关断裂参数,并用归一化(无量纲化)方法定量表征了各断裂参数随试件厚度的变化规律。进一步地,基于国内现行《水工混凝土断裂试验规程》(DL/T 5332—2005)中的线弹性断裂韧度计算公式、Weibull尺寸效应理论以及混凝土多轴强度理论,分析了试验所呈现的厚度尺寸效应特征。试验结果和理论分析表明,混凝土各断裂参数均不存在明显的厚度尺寸效应,且各参数的结论可以互相印证。

MoS_(2)/SiO_(2)界面黏附性能的尺寸和温度效应

探索二维材料与其衬底之间的黏附性能对于二维材料的制备、转移以及器件性能的优化至关重要.本文基于原子键弛豫理论和连续介质力学方法,系统研究了尺寸和温度对MoS_(2)/SiO_(2)界面黏附性能的影响.结果表明,由于表面效应引起的热膨胀系数、晶格应变和杨氏模量的变化,MoS_(2)/SiO_(2)界面黏附能随MoS_(2)厚度的减小而增大,而热应变使MoS_(2)/SiO_(2)界面黏附能随温度的升高而逐渐降低.此外,预测了在不同尺寸和温度下MoS_(2)在SiO_(2)衬底上的“脱落”条件,系统阐述了MoS_(2)与SiO_(2)衬底之间黏附性能的物理机制,为基于二维材料电子器件的优化设计提供了理论基础.

尺寸效应理论与模型及其应用

尺寸效应是指随着结构尺寸的增大,以强度为代表的力学性能指标有规律地降低的现象。本文主要对目前使用较为广泛的4种尺寸效应理论进行评述,进而阐述学者对不同材料进行的尺寸效应问题试验。在当前尺寸效应理论的基础上,对全尺寸试件的尺寸效应规律进行探讨,并提出结合试验研究以及数值分析模型进行对比验证是今后研究者的重要研究方向。

基于灰色理论的载荷试验尺寸效应研究

针对既有建筑下地基平板载荷试验中存在的尺寸效应问题,通过对石家庄地区的既有建筑地基进行现场平板载荷试验与数值模拟,并结合灰色理论,研究既有建筑地基平板载荷试验的尺寸效应。结果表明:既有建筑下地基土中的水对地基承载力影响极大;引入坑板比(α)的概念,当α=3.5和α=2.5时,地基承载力结果有偏大的可能,α=2.0时,地基承载力结果相对可靠;结合灰色理论,得到既有建筑下的平板载荷试验中,不同坑板比条件的关联度大小关系有α=2.0最大,α=3.5次之,α=2.5最小;在最优坑板比条件下,承压板面积的关联由大到小为0.07 m^(2)≈0.41 m^(2)>0.14 m^(2)≈0.28 m^(2)>0.25 m^(2)。在石家庄以及类似地区进行既有建筑下的地基平板载荷试验时,采用的最优坑板比条件为α=2.0,对应的最优承压板面积为0.07 m^(2)和0.41 m^(2)。

堆石颗粒压缩破碎强度的尺寸效应

目前在颗粒材料的尺寸效应研究中,极少考虑颗粒的复杂形状和内部结构非均匀性。采用随机散粒体不连续变形分析方法(SGDD),引入无厚度界面单元和凝聚力模型模拟颗粒破碎,对5组不同粒径的堆石颗粒进行单颗粒压缩试验的数值模拟,分析了颗粒内界面单元强度对颗粒破碎的影响,并采用Weibull分布模型分析颗粒破碎强度的尺寸效应。通过与室内单颗粒压缩试验对比,试验的数值模拟能真实地再现单颗粒压缩下的破碎过程,不同颗粒的压缩曲线规律相似,达到峰值荷载前,承载力曲线急剧上升,随后颗粒发生致命破碎,承载能力骤降。不同粒径组的单颗粒破碎强度均服从Weibull分布,平均Weibull模数为2.48。不同粒径组的颗粒特征强度存在明显的尺寸效应,特征强度随着颗粒尺寸的增大而减小,与颗粒尺寸呈幂指数关系,但小于Weibull模型的预测值。

GFRP筋拉伸力学性能尺寸效应试验研究

通过试验研究不同直径玻璃纤维增强复合材料（GFRP）的力学性能,并采用基于材料强度Weibull分布的最弱链理论分析其尺寸效应.试验结果表明,GFRP筋极限抗拉强度、抗拉弹性模量和极限延伸率随着直径增大而下降,而屈服应变变化规律则相反.通过试验分析,建立考虑直径变化的GFRP筋应力应变关系及其相关参数同直径的关系;提出了不同直径GFRP筋极限抗拉强度fDtu计算公式.基于最弱链理论分析,得出GFRP筋尺寸效应的主要影响因素是试件的有效区体积.研究表明,GFRP筋拉伸力学性能具有明显的尺寸效应;采用最弱链理论进行尺寸效应分析是可行的,能够预测不同GFRP筋强度,确定其抗拉强度标准值,有助于统一GFRP筋试件的有效长度取用标准,并建议长度范围为试件直径的30~40倍.

基于Weibull分布的电瓷型电气设备地震易损性分析

电瓷型电气设备的高强瓷套管是其地震作用中的薄弱环节,具有较高的断裂易损性。为分析此类设备的地震易损性,从高强瓷材料的强度机制出发,确定了材料强度的Weibull分布形式和弯矩作用下尺寸效应计算公式,并结合基于反应谱法得到的地震作用随机参数,建立了震害为瓷套断裂的易损性分析方法。选取了某500 kV避雷器为例进行地震易损性分析,研究了地震动、场地条件、结构尺寸对设备易损性影响。分析方法可用于电瓷型电气设备瓷套强度计算、设备场地选址、结构抗震设计优化、震害风险预测等工作,为提高电网抗震能力,减少震害损失提供技术支持。