材料强度理论研究进展述评

强度理论是研究多轴应力下材料屈服或破坏机制和原理的力学理论,是固体力学研究中最基础的内容之一,在理论研究、工程应用和材料利用等方面具有重要意义,在物理、力学、地球科学、材料科学和工程中得到广泛应用。对各类材料强度理论进行分类和归纳,对其理论观点进行归纳、总结与评述,指出其适用范围与优缺点,同时将强度理论分为各向同性强度理论和各向异性强度理论2类,其中各向同性强度理论分为主应力强度理论、剪应力强度理论和其他强度理论。主应力强度理论又分为最大拉应力强度理论、Mises屈服理论、最小耗能原理强度理论和损伤比强度理论,剪应力强度理论分为单剪、双剪和三剪强度理论,其他强度理论分为最大拉应变强度理论、空间滑动面强度理论、细观强度理论和其他理论。各向异性强度理论是各向同性强度理论的延伸与发展,按金属材料、复合材料和岩土材料等3类分别论述,金属材料和复合材料的强度理论分为宏观强度理论和微细观强度理论,岩土材料强度理论分为Mohr-Coulomb系列、Hoeke-Brown系列、Matsuoka-Nakai系列和其他经验模型系列强度理论等4类。通过总结损伤比强度理论的理论观点、参数定义与物理意义,指出该理论反映了岩石、混凝土等脆性材料受拉脆断、单轴受压压碎以及三轴受压塑性流动的指标量化,揭示了脆性材料非弹性体积膨胀导致破坏,且高静水压力下损伤比参数递减使得非弹性体积膨胀减小导致脆性材料将向塑性转变的原理。最后,对强度理论的发展进行展望,指出损伤比强度理论有望成为宏观强度理论的发展方向,具有进一步完善与用于其他各向同性材料和各向异性材料的前景,并且通过宏观强度理论与微细观强度理论模型以及人工智能强度理论模型相结合,标定微细观模型参数,修正宏观强度理论中的主要参数,实现宏观强度理论与微细观强度模型及人工智能强度模型的统一。

基于统一强度理论的扰损围岩巷道脆塑性解答

钻爆法施工常造成岩质巷道扰损区围岩性能劣化。针对扰损围岩、扰损外围岩的弹塑性状态下不同的扰损围岩巷道力学模型,采用统一强度理论、弹-脆-塑性模型和非关联流动法则,建立扰损围岩巷道有关应力、位移和塑性区半径的脆塑性解答,探讨巷道力学模型的转换路径及判定方法,并将结果进行对比、验证,获得各因素的影响规律。研究表明:提出的巷道脆塑性解答合理反映了中间主应力、围岩扰损范围和峰后强度、剪胀特性的综合影响,通过参数组合变换可退化为多种解答并得到正确性验证,具有重要的理论意义和应用前景;巷道力学模型判定与中间主应力、围岩扰损范围密切相关,显著影响巷道应力-位移分布和围岩特征曲线;支护压力和巷道稳定变形随着围岩峰后强度下降、剪胀特性参数增加而明显增大。

基于Coulomb-Mohr强度理论的结构面对岩体稳定性影响的教学设计与实践

文章根据为本科学生而开设的《岩石力学》课程中结构面对岩体稳定性影响的教学内容,以岩体内单一结构面影响岩体稳定性为例,基于Coulomb-Mohr强度理论分析和推导了单一结构面影响岩体稳定性的计算方法,提出了易于学生理解和掌握的结构面影响岩体稳定性分析方法的教学组织和设计,并总结了教学中引导学生开展创新思维的具体方法。通过对所设计的结构面影响岩体稳定性计算方法在《岩石力学》课程中的教学实践,取得了良好的教学效果。According to the instructional contents of the influence of structural plane on the rock mass stability in the course entitled Rock Mechanics offered to undergraduates, taking the influence of a single structural plane on the stability of rock mass as an instance, the method for calculating the influence of a single structural plane on the rock mass stability based on Coulomb-Mohr strength theory is analyzed and derived in this paper. The organization and planning in teaching undergraduates the method for analyzing the influence of structural plane on the rock mass stability are also presented, which is easy for undergraduates to comprehend and master. The specific method for guiding undergraduates to develop innovative way of thinking during teaching activities are also summarized. Through teaching practice on the method for analyzing the influence of structural plane on the stability of rock mass in the course entitled Rock Mechanics, the expected teaching objective has been achieved.

数字化转型赋能制造业新质生产力发展——基于资源基础理论与动态能力理论的实证研究

通过数字化转型引领新质生产力的发展,是数字经济赋能制造强国建设的重要课题。本文基于资源基础论与动态能力理论,剖析数字化转型驱动制造企业新质生产力发展的影响机理,为赋能新质生产力提供参考。结果发现:(1)数字化转型对制造企业新质生产力的长期与短期影响存在差异,短期表现为提升整合、配置及运用资源能力,长期表现为增强其创新变革的感知、抓取与转化能力;(2)实证结果表明,数字化转型对新质生产力的影响显著为正。其中,短期影响的正向作用显著,长期影响不显著。不仅如此,市场竞争强度的正向调节作用不容忽视;(3)根据异质性效应结果,东部地区影响显著为正,中部与西部地区则较为微弱;国有企业的驱动效应明显高于非国有企业样本。研究结论为提升制造业新质生产力水平提供了新的赋能方向。

基于MCFT理论的PC空心板梁抗剪强度分析

为研究预应力混凝土空心板梁的抗剪强度,基于6次预应力混凝土空心板梁抗剪强度试验,对板梁斜裂缝扩展、极限抗剪强度开展分析,基于修正斜压场理论(MCFT),建立了板梁理论计算模型,研究了预应力混凝土空心板梁箍筋间距的等效间距法确定原则,对比试验数据,验证了其有效性并分析弯剪组合效应对抗剪强度的影响,针对预应力、配筋率、钢筋和混凝土强度等不同参数开展分析。结果表明:加载点位置抗剪强度计算值与试验抗剪强度的比值为0.71,剪跨中点位置抗剪强度计算值与试验抗剪强度的比值为0.99,支座位置纯剪状态下抗剪强度计算值与试验抗剪强度的比值为1.11,考虑弯矩后,板梁抗剪强度削弱,剪跨中点位置计算值与试验值更为接近;预应力混凝土空心板梁在弯剪组合状态下,全黏结预应力钢筋数量由2根提高到10根,抗剪强度提高21.7%;随预应力筋数量的增多,有效预应力大小对抗剪强度的影响更为显著,当弯矩为100 kN·m时,有效预应力由186 MPa增加到1395 MPa的过程中,2根预应力筋抗剪强度提高10.2%,6根预应力筋抗剪强度提高15.3%,10根预应力筋抗剪强度提高20.3%。

基于统一强度理论的自紧身管残余应力分析

基于统一强度理论,考虑材料拉压异性和鲍辛格效应的影响,采用双线性强化材料模型对身管进行自紧分析,推导了身管加载应力、卸载应力、残余应力及工作应力的解析解,得到了弹塑性交界面半径、反向屈服半径的计算公式,提出了最佳自紧度和自紧压力的计算方法,通过与实验数据进行对比,验证了本文理论解的正确性,分析了材料拉压强度比、中间应力系数等参数对身管残余应力、弹塑性交界面半径、反向屈服半径和最佳自紧压力的影响。结果表明,反向屈服半径、弹塑性交界面半径、弹塑性交界面处残余应力与材料拉压强度比成正比,与中间应力系数成反比;最佳自紧压力与材料拉压强度比成反比,与中间应力系数成正比。

饱和含盐冻土冲击能量分析及动态强度理论

本文利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置探究冲击加载下含盐量和应变率对饱和含盐冻土动态强度的影响。试验结果表明,当含盐量介于0%~2%时,土体的动态强度大约随含盐量每增加1%而减小1.5 MPa;随应变率每升高250 s^(-1)而增大2.0 MPa。从能量角度分析,土体冲击过程中的吸收能密度大约随含盐量每增加1%而减小0.1 J/cm^(3);随应变率每升高250 s^(-1)而增大0.2 J/cm^(3)。基于能量平衡和断裂理论,推导了饱和含盐冻土压缩膨胀拉伸破坏模型的动态强度理论计算式,计算结果与试验结果误差不超过10%,且能预测动态强度随含盐量和应变率的变化趋势,表明该理论可以揭示饱和含盐冻土的动态破坏机理,为工程实践提供理论基础和借鉴意义。

带肋FRP筋与混凝土的粘结强度预测方法

目前有关带肋纤维增强复合材料(FRP)筋粘结性能的研究不足。收集粘结纤维肋FRP筋(简称粘结肋FRP筋)和机械刻槽肋FRP筋(简称刻槽肋FRP筋)的试验数据,探究各参数对粘结性能的影响。结果表明:两种带肋FRP筋的宏观破坏模式都是拔出破坏,在细观上粘结肋FRP筋主要为FRP筋肋的剪切剥落,而混凝土损伤较轻微,大部分刻槽肋FRP筋表现为混凝土肋剪切破坏,二者的粘结强度随混凝土强度的增加而增大;增加保护层厚度可增强混凝土对FRP筋的约束效果,有助于提高粘结肋FRP筋的粘结强度,但对刻槽肋FRP筋几乎没有影响;增加相对肋高hrd和FRP筋肋宽比FR可提高粘结肋FRP筋的粘结强度;而刻槽肋FRP筋几乎不受hrd的影响,主要受混凝土肋宽比C_(R)的影响,其粘结强度随C_(R)的增加而增大;建立的粘结强度公式计算值与试验结果吻合较好,预测精度高于设计规范,主要原因在于该公式准确考虑了FRP筋肋成型工艺和几何特征对粘结强度的影响。

基于MMF理论的碳纤维单向带复合材料细观强度的计算方法

针对单向带复合材料结构的承载能力和损伤失效特点,基于微观力学失效(MMF)理论对单向带复合材料的失效机制及损伤过程进行分析和预测,提出了一种确定单向带复合材料细观强度的跨尺度分析计算方法。以T300碳纤维/环氧树脂单向带复合材料为研究对象,首先建立单向带复合材料的细观尺度代表体积单元有限元模型,并采用应力放大因子方法实现单向带复合材料的宏观应力与细观应力的转换;然后结合单项带复合材料的宏观强度实验结果,设计单向带复合材料细观强度参数的求解流程,确定单向带复合材料的纤维及基体组分的细观强度。对于碳纤维/环氧树脂单向带复合材料,采用跨尺度分析计算方法可以得到碳纤维和环氧树脂基体各关键点所承受应力的极大值,其结果可用于单向带复合材料结构的疲劳强度预测。

基于砌块软化理论的部分灌孔砌体抗压强度的预测

根据全灌孔砌体和部分灌孔砌体在加载全过程中表现出的相同和不同,发现影响两类灌孔砌体出现差异的原因是砌块外壁稳定性的不同.依据适用于全灌孔砌体的砌块软化理论,在原模型中考虑稳定性的变化,将砌块软化理论的应用范围拓展至部分灌孔砌体中,提出用于分析部分灌孔砌体的修正模型.计算结果表明,提出的修正公式能够较为准确地预测部分灌孔砌体的抗压强度;与未修正公式的计算结果相比,修正公式的计算结果精度有较为显著的提升.

三参数双τ^(2)强度理论及其应用

针对工程中岩石、混凝土等材料在复杂应力状态下的破坏问题,提出了一种新的三参数双τ^(2)强度理论,利用3种特殊应力状态给出了数学表达式。考虑到极限应力比受材料性质的影响,选取不同压拉比、剪拉比应力值,对比分析了岩石、混凝土在不同应力状态下的理论数据与试验数据。结果表明:在新强度理论下理论预测曲线与混凝土、岩石材料在常见4种应力状态下的受力破坏相吻合,能够保证脆性材料在工程应用上的适用性和安全性。

基于TRIZ理论的航空螺旋桨叶片喷丸强度自动化测量系统的创新设计

为解决航空螺旋桨叶片喷丸强度测量过程繁琐和调试难度大的问题,分析了现有技术的缺陷和不足,提出了一种基于发明问题解决理论(TRIZ)的喷丸强度自动化测量方法。基于TRIZ理论中的冲突解决方法的反向作用原理,优化了现有的喷丸强度测试仪器。通过在阿尔门试片底座集成应变片传感器来实时计算喷丸强度大小,从而实现了自动化测量。此外,依据该解决方法设计了一套航空螺旋桨叶片喷丸强度的自动化测量系统,实现了测试方法的创新设计。

强度理论的发展和展望

强度是各种地上、地下、水下和上天结构的共同的最基本要求。强度理论是研究材料在复杂应力下屈服和破坏规律的学科。由于各种土木、水利、机械、航空、军工等工程结构中的材料,大多处于复杂应力作用下,因此强度理论得到广泛的研究和应用。强度理论是各种工程结构强度计算和设计必需的基础理论。它们也是固体力学、材料强度学研究从弹性到塑性,从弹性到软化或硬化,从弹性到脆塑性,以及从线性到非线性的开始。对材料在复杂应力状态下强度理论(屈服准则、破坏准则等)的发展进行了总结。给出了 80 多种准则的方程式,反映出强度理论研究的“百花齐放,百家争鸣”。讨论了各种准则的分类和它们之间的关系,以及在研究和工程应用中的合理选择破坏准则问题。还总结了三大系列强度理论、统一屈服准则、统一强度理论和其他各种强度理论。 最后讨论了强度理论的发展展望,包括:真三轴试验和假三轴试验;强度理论的经济效益;各向异性材料和复合材料的破坏准则;多孔隙材料和多相材料的破坏准则;其它各种特殊材料的强度理论;安定性、多轴疲劳、蠕变、损伤、断裂和相关现象;强度理论的计算机程序实施和角点奇异性;特殊环境下的强度理论问题;强度理论的美;强度理论研究的不同层次。

20世纪岩石强度理论的发展——纪念Mohr-Coulomb强度理论100周年

190 0年莫尔 (O. Mohr)教授建立了著名的莫尔 -库仑 (Mohr- Coulomb)强度理论。 10 0年来 ,岩石强度理论广泛吸引了工程师和物理学家 (包括工程地质专家、力学家、地球物理学家、材料科学家和土木、机械工程师等 )的注意 ,对岩石在复杂应力状态下的强度理论 (破坏准则 )以及它们的实验验证进行了大量研究 ,提出了众多岩石破坏准则 ,并进行了大量轴对称围压三轴试验和真三轴试验。对 10 0年来的岩石强度理论研究的发展和主要结果进行小结 ,特别是从理论上总结了从强度理论的下限 (莫尔 -库仑单剪强度理论 ,190 0 )到上限 (双剪强度理论 ,俞茂宏 ,1985 )到统一强度理论 (俞茂宏 ,1991)的发展。对 10 0年来岩石强度理论发展的回顾 。

基于统一强度理论的地基极限承载力公式

现有的地基临塑荷载及极限承载力公式均以Mohr-Coulomb强度理论为基础建立的,没有考虑中间主应力的效应,其计算结果一般偏小,没有充分发挥土体强度潜能。基于统一强度理论考虑中间主应力的影响,以Terzaghi公式的假设与原理为基础,导出地基极限承载力公式的一般形式,太沙基地基极限承载力公式是其特例。由于考虑中间主应力的影响,计算的地基承载力比太沙基地基极限承载力要大,可发挥土体的强度潜能,得到一系列的解答。

土的基本特性及本构关系与强度理论

土的基本特性及本构关系与强度理论是土力学及岩土工程学科的重要理论基础之一。本文针对饱和黏土、砂土及堆石料等粗粒土,总结了这三类土在基本力学特性及本构强度理论方面的研究现状和发展趋势。饱和黏土部分主要包括压缩特性、剪切特性—临界状态及剪胀/剪缩、结构性及其破坏、中主应力影响、各向异性及主应力偏转效应、不排水抗剪强度、流变特性、微观力学解析模型等;砂土部分包括临界状态概念与剪胀性、砂土各向异性、应变局部化等;堆石料等粗粒土部分则以颗粒破碎对堆石料等粗粒土的力学性质的影响为主线,重点介绍了颗粒破碎的度量方法、颗粒破碎对剪胀性、临界状态线的影响以及相应的本构模型、宏观-微观的力学分析方法。

统一强度理论的发展及其在土木水利等工程中的应用和经济意义

统一强度理论是在中国本土原创产生和发展起来的关于材料强度和结构强度的系统新理论。它从连续统力学最基本的单元体力学模型开始,到数学建模方法,理论公式的表述,以及一系列新的理论公式都不同于以往的各种理论。它将以往各种适合于某一类材料的单一强度理论推进为可以适合于多种材料的统一强度理论。经过40多年的发展,它不仅自己形成了系统的理论,而且将很多著名的理论包容其中,形成了范围更宽广、功能更强大的理论体系。由于它具有一个统一的力学模型,清晰的物理意义,简单的线性数学表述式,能反映材料的基本特性,即SD效应(不同的抗拉强度和抗压强度)、静水应力效应、正应力效应、中间主应力效应和中间主剪应力效应,以及结构强度分析的破坏准则效应,并且与现有的实验数据相吻合,能容易地适合许多新情况;此外,统一强度理论既容易用来取得解析解,也容易用于计算机程序取得数值解。统一强度理论已被推广应用于很多领域。在连续介质和工程应用的框架下对统一强度理论的发展及其在土木工程中的应用和经济意义进行较为系统的小结。

用统一强度理论求解轴对称混凝土板的冲切强度

本文采用统一强度理论作为混凝土的破坏准则，求解了轴对称混凝土板的冲切破坏强度，利用上限定理求出了一组破坏荷载，得出了强度理论参数 对冲切强度的影响曲线。所得的解可以考虑材料的中间主应力效应对冲切破坏强度的影响, 可以灵活地应用于工程上的各种不同材料, 公式形式简单便于应用, 且与已有结果及试验资料符合较好。

基于统一强度理论的石油套管柱抗挤强度

为了研究石油套管柱的力学性能,采用统一强度理论,合理考虑中间主应力效应和材料拉压比的影响,推导了石油套管柱的单轴抗挤强度、双轴抗挤强度和三轴抗挤强度计算公式,建立了石油套管柱双轴抗挤强度和三轴抗挤强度与单轴抗挤强度的关系,并分析了材料的拉压比、中间主应力效应、径厚比、压缩屈服强度、荷载大小和荷载工况等因素对不同类型抗挤强度的影响特性。研究结果表明:材料的拉压强度不等特性(SD效应)对石油套管柱的单轴抗挤强度、双轴抗挤强度和三轴抗挤强度均有显著影响,材料拉压比越大,套管柱的单轴抗挤强度越小,双轴抗挤强度越大,而三轴抗挤强度与双轴抗挤强度的差值和材料拉压比的关系与外荷载有关;中间主应力效应对石油套管柱的单轴抗挤强度、双轴抗挤强度和三轴抗挤强度也有显著影响,随统一强度理论参数b值的增加,套管柱的单轴抗挤强度和双轴抗挤强度不断增大,考虑中间主应力效应可以充分发挥材料的自承载能力和强度潜能,具有可观的经济效益;径厚比、压缩屈服强度、荷载大小和荷载工况对套管柱的单轴抗挤强度、双轴抗挤强度和三轴抗挤强度也具有一定影响。该结果适用于具有SD效应和中间主应力效应的材料,并将多种屈服准则下石油套管柱的单轴抗挤强度、双轴抗挤强度和三轴抗挤强度表达式分别统一起来,具有广泛的适用性,可为石油套管柱的抗挤强度设计提供借鉴。

用统一强度理论求解岩土材料的动力强度参数

基于俞茂宏的统一强度理论,研究了岩土材料在复杂应力状态下的强度理论及确定其动力强度参数的新方法。根据循环荷载作用的特点,把循环过程中的动态应变变化和极限平衡理论耦合起来,提出了基于统一强度理论考虑中间主应力的动态极限平衡概念,探讨了它在岩土材料中的应用,并推导出了确定有效动强度参数dc,df的方程。进一步研究了统一强度理论下的偏应力、有效固结压力和动态平衡状态线的概念,提出了确定有效动强度参数dc,df的简便方法。该方法不仅可以适用于砂土、粉土,而且还适用于沉积软岩材料。