Finite Deformation, Finite Strain Nonlinear Dynamics and Dynamic Bifurcation in TVE Solids

This paper presents the mathematical model consisting of conservation and balance laws (CBL) of classical continuum mechanics (CCM) and the constitutive theories derived using entropy inequality and representation theorem for thermoviscoelastic solids (TVES) matter without memory. The CBL and the constitutive theories take into account finite deformation and finite strain deformation physics. This mathematical model is thermodynamically and mathematically consistent and is ideally suited to study nonlinear dynamics of TVES and dynamic bifurcation and is used in the work presented in this paper. The finite element formulations are constructed for obtaining the solution of the initial value problems (IVPs) described by the mathematical models. Both space-time coupled as well as space-time decoupled finite element methods are considered for obtaining solutions of the IVPs. Space-time coupled finite element formulations based on space-time residual functional (STRF) that yield space-time variationally consistent space-time integral forms are considered. This approach ensures unconditional stability of the computations during the entire evolution. In the space-time decoupled finite element method based on Galerkin method with weak form for spatial discretization, the solutions of nonlinear ODEs in time resulting from the decoupling of space and time are obtained using Newmark linear acceleration method. Newton’s linear method is used to obtain converged solution for the nonlinear system of algebraic equations at each time step in the Newmark method. The different aspects of the deformation physics leading to the factors that influence nonlinear dynamic response and dynamic bifurcation are established using the proposed mathematical model, the solution method and their validity is demonstrated through model problem studies presented in this paper. Energy methods and superposition techniques in any form including those used in obtaining solutions are neither advocated nor used in the present work as these are not supported by calculus of variations and mathematical classification of differential operators appearing in nonlinear dynamics. The primary focus of the paper is to address various aspects of the deformation physics in nonlinear dynamics and their influence on dynamic bifurcation phenomenon using mathematical models strictly based on CBL of CCM using reliable unconditionally stable space-time coupled solution methods, which ensure solution accuracy or errors in the calculated solution are always identified. Many model problem studies are presented to further substantiate the concepts presented and discussed in the paper. Investigations presented in this paper are also compared with published works when appropriate.

A numerical simulation study on mechanical behaviour of coal with bedding planes under coupled static and dynamic load

To investigate the bedding influence on coal mechanical behaviour in underground environments such as coal or rock burst, simulations of dynamic SHPB tests of pre-stressed coal specimens with different bedding angles were carried out using a particle flow code 2-dimensional(PFC2D). Three impact velocities of 4, 8 and 12 m/s were selected to study dynamic behaviours of coal containing bedding planes under different dynamic loads. The simulation results showed that the existence of bedding planes leads to the degradation of the mechanical properties and their weakening effect significantly depends on the angle h between the bedding planes and load direction. With h increaseing from 0° to 90°, the strength first decreased and subsequently increased and specimens became most vulnerable when h was 30° or 45°.Five failure modes were observed in the specimens in the context of macro-cracks. Furthermore, energy characteristics combined with ultimate failure patterns revealed that maximum accumulated energy and failure intensity have a positive relation with the strength of specimen. When bedding planes were parallel or perpendicular to loading direction, specimens absorbed more energy and experienced more violent failure with increased number of cracks. In contrast, bedding planes with h of 30° or 45° reduced the specimens' ability of storing strain energy to the lowest with fewer cracks observed after failure.

Constitutive model of rock under static-dynamic coupling loading and experimental investigation

The importance of study on constitutive model of statically loaded rock experiencing dynamic load is set forth, and the studying methods on dynamic constitutive model are classified according to the current studying status. By way of combining statistic damage model and viscoelastic model, uni-axial and multi-axial constitutive models of statically loaded rock experiencing dynamic load (static-dynamic coupling constitutive model) under intermediate strain rate are established. The verification experiment on 2D constitutive model under different static stress and dynamic stress with different frequencies is designed and performed. It is found that there is a good agreement between the experimental stress-strain curves and the theoretical stress-strain curves.

舰载飞机着舰撞击载荷实测技术研究

针对国内飞机起落架载荷测量中普遍存在的静标动测问题,从理论和机理上分析了静标定的应变法实测动态载荷存在问题的原因。同时,考虑到舰载飞机因定点着舰方式遭受严重的动态载荷,重点研究了舰载飞机着舰撞击载荷的静标动测问题。通过动态落震试验模拟飞机着舰过程,根据测力平台的实测载荷分析,获取了应变法实测载荷精度受动态影响的程度,提出一种改进的惯性修正方法,即:通过落震试验数据辨识质量矩阵,通过辨识的质量矩阵和实测加速度修正应变法的实测载荷。试验结果表明,改进的惯性修正方法进一步提高了垂向载荷的测量精度,显著提高了航向和侧向载荷的实测精度。

小山口水电站砂砾石面板坝三维静、动力有限元计算分析

鉴于小山口水电站为软岩基础,坝体较长,且混合坝接头部位非常复杂。为了解决该坝体面临的变形控制难、坝体抗震等级高等设计难题,结合砂砾石面板坝结构、坝壳料设计,通过构建三维有限元模型,该模型包括坝体、泥岩和沙质泥岩基础组成。在静力本构分析中,采用了非线性邓肯E-B模型,而在动力本构分析中,则使用了等效线性粘弹性模型。通过这个模型,对坝体的应力和变形进行了全面系统的研究和分析,同时对坝体的抗震性能和抗震稳定性进行了验证。结果表明,在各种工况下坝体所表现出的变形规律合理。同时在混凝土面板最大拉应力和压应力都符合所采用混凝土材料的允许应力要求,坝体的抗震性能和抗震稳定性满足规范要求。

挤压态Mg-Al-Mn-(0.2Sr)镁合金的准静态压缩变形行为

采用准静态压缩实验研究了挤压态Mg-Al-Mn-(0.2Sr)镁合金在0.0001~0.33 s^(-1)应变速率范围内的变形行为。结果表明:挤压态Mg-Al-Mn-(0.2Sr)镁合金的流变应力响应行为具有一定的应变速率相关性,具体表现为流变应力随加载应变速率的增加呈现先降低,后增加,再降低的演变趋势。在压缩变形过程中,两种镁合金试样均产生了较为明显的动态应变时效(DSA)。产生DSA所需的临界应变随加载应变速率的增加而增加,且应力-应变曲线的锯齿类型具有强的应变速率相关性。添加Sr元素降低了镁合金沿径向压缩的流变应力,但对DSA行为具有一定的促进作用。相同应变速率下,挤压态Mg-Al-Mn-0.2Sr镁合金产生DSA的临界应变明显较小,且锯齿幅值略大。此外,Sr元素对孪生也具有一定的抑制作用,导致挤压态Mg-Al-Mn-0.2Sr镁合金的孪晶界出现不同程度的扭曲。

某山谷贮灰场坝体静动力分析

燃煤发电的余灰一般都会堆放在灰场,随着堆灰高度的增加,灰场底部灰体和地基的应力会逐渐变大,部分灰体和地基土会进入塑性区域,且随着塑性区的加大会直接威胁到灰场的安全,因而高坝在安全方面的风险也随之加大,发生滑坡的可能性及滑坡造成的危害也会明显增加。根据规范要求,山谷干灰场最终贮灰高度超过100 m时应作专题研究。以龙王庙灰场为例,开展了灰场坝体的有限元静动力分析,得出了各工况下坝体的应力场和位移场,确定了坝体动剪应力、水平加速度和相对位移的分布规律,对同类工程有一定的参考价值。

半刚构-连续箱梁桥动静载试验研究

桥梁动静载试验是检测桥梁结构安全的重要方法,可准确评价桥梁结构的受力性能和实际工作状态。文中依据JTG/T J21-01—2015《公路桥梁荷载试验规程》,对陶赖昭特大桥主桥进行动静载试验,测试桥梁结构的挠度、应变及动力特性,并与理论值进行对比分析。结果表明,桥梁处于弹性受力状态,强度及刚度满足设计要求,动力响应及动力特性良好。

基桩综合检测技术在中风化泥岩中的应用

高应变法具有适用性强、效率高、成本低等优点,常应用于摩擦型基桩检测,但该法在软岩地基检测中可参考的经验较少,研究资料相对缺乏,且受锤重、落距、贯入度等因素影响,CASE法阻尼系数jc参数选取具有较大主观性。论文基于CASE理论计算方法,提出中风化泥岩地基中的高应变检测贯入度及j_(c)值建议选取范围。以依托工程AZ18#、AZ35#、AZ57#桩基高应变、静载试验数据对比分析,动静误差分别为3.06%、15.74%、5.16%。结合高应变波形曲线图分析AZ35#桩侧阻与端阻,认为该桩身完整性类别为Ⅱ类桩,桩底反应明显,动静载误差虽>15%,尚属于试验可控的允许误差。

静载试验和高应变法在桩基承载力检测中的对比试验

以巴基斯坦某电厂桩基承载力检测为目的,分别采用静载试验法和高应变动力检测法对旋挖法和反循环法两种成桩工艺的四根试桩进行承载力检测,并对结果进行了对比分析。结果表明,静载试验与高应变法实测四根试桩的承载力特征值均大于设计承载力特征值,均满足设计要求;两种方法对不同成桩工艺桩基承载力的检测结果均具有较好的一致性,采用高应变法代替静载试验在该地区进行桩基承载力检测具有较强的可行性和适用性;为该地区桩基承载力检测提供参考和借鉴。

A new model for evaluating the dynamic shear strength of rocks based on laboratory test data for earthquake-resistant design

The dynamic shear strength of rocks is required for the earthquake-resistant design of nuclear power plants in Japan.This research aims to propose a mathematical model for estimating the dynamic strength and to validate the model.Two different types of specimens were prepared for the model validation,and the monotonic and cyclic loading tests were conducted to obtain the mathematical model parameters.Subsequently,multistep cyclic loading tests were performed,followed by simulations using the mathematical model.The test results demonstrated that the dynamic shear strength exceeded the static shear strength,which agreed with previous researches.Furthermore,the dynamic shear strength calculated using the mathematical model was generally consistent with that obtained from the experimental data.

静载历史下的损伤对混凝土动态抗压性能影响研究

为研究正在使用状态下且已存在初始损伤的混凝土构筑物受冲击动力荷载下的动态力学特性,本文以混凝土试件为试验对象,先通过YAD-2000试验压力机对多组混凝土试件进行预加载,使C30混凝土试件出现不同程度的损伤,然后利用SHPB试验设备对试件进行单次冲击压缩试验,研究静载下的损伤对混凝土应力–应变曲线特征、动态抗压强度、破坏模式等特性的影响.通过系列试验发现,经历初始静载的混凝土表现出较强的损伤效应和应变率效应.静载作用下混凝土的损伤对动态抗压强度降低影响关系中,存在一个分界点.大于分界值时,损伤程度变化对混凝土动态抗压强度影响显著.研究结果对于荷载历史混凝土的动态性能研究和应用具有理论意义和参考价值.

红庆河矿典型工作面冲击地压灾变机理及防治

针对深部高静载应力环境下采掘工作面局部应力集中导致煤岩动力事件频发的问题,以新街矿区红庆河矿采煤工作面为工程研究背景,结合工作面开采方式与采掘期间煤岩动力事件对3-1煤层地质条件进行初步分析;运用数值模拟软件对工作面采动应力场和能量场进行模拟,分析3-1103综采面回采过程中采场潜在的易煤岩冲击失稳区域和冲击地压孕育-灾变机制,研究危险区域煤岩灾变力源、影响因素及防控措施。结果表明:①3-1103综采面回采期间顶板岩层结构、采空区、区段煤柱等是影响冲击地压的主要因素;②模拟得到3-1103综采面回采期间采场易冲击失稳区域位置及特征,确定了采场范围内存在5个强冲击性和11个中等冲击性区域;③提出了包括切断冲击力源、降低应力集中、阻隔高集中应力传递三个方面的采场高静载或高静载+动载区域分源防控技术,对煤岩冲击失稳危险区域回采前进行预先卸压、回采期间局部解危和防冲减冲处理。

基于致密砂岩岩石物理模型的静态模量预测方法

岩石静态模量是油气勘探开发过程中重要的力学性质参数,直接实验测量的成本较高,而且数量有限。以前的通过经验公式实现动静态模量转换的方法,物理意义不明确、精度不高,不能满足工程需要。为此,提出了一种基于岩石物理模型的静态模量预测方法,即先利用测井数据构建孔隙裂缝型岩石物理模型来计算动态模量,在动态模量的基础上考虑频散效应和排水效应获得岩石低频干燥的模量,最后考虑动静态模量之间应变振幅的差异,模拟岩石发生静态形变的过程,实现从动态到静态模量的预测。该方法考虑了动静态模量转换的微观因素,理论上更严谨。对川西实际工区实验数据进行了静态模量预测,预测结果与实验数据吻合较好,其中动态杨氏模量的误差为4%,静态杨氏模量的误差为8%,证明了方法的适用性。

船首结构冰致动力响应的准静态等效研究

[目的]随着极地探索的不断发展,针对冰区航线的船体结构设计不再局限于传统的经验公式方法,人们更加关注作用于结构上的实际冰载荷及结构响应,研究冰载荷作用下的结构响应计算成为极地船舶结构设计中的关键部分。[方法]首先,通过有限元方法对某极地航行船舶遭遇的碎冰、浮冰、层冰等冰载荷工况进行数值仿真,考虑材料应变率影响,计算冰载荷作用下的结构动态响应;然后,以结构响应等效为基准,进行动态响应的静态转换,并提出动静转化系数的概念;最后,给出不同冰载荷工况下动静转化系数的取值范围。[结果]结果表明,船首结构在不同工况下动载荷响应的静载荷等效转换计算的转换系数为1.0~1.4之间。[结论]船首结构冰致动力响应的准静态等效方法是合理可行的。

溪洛渡大坝混凝土芯样动态轴拉试验研究

利用MTS大型静、动材料试验机对溪洛渡大坝混凝土芯样开展了动态轴向拉伸试验研究,试验共计32个φ220 mm×440 mm圆柱体试件。试验分别开展了不同应变速率(1×10^(-6)/s、1×10^(-4)/s、5×10^(-4)/s、1×10^(-3)/s)下静、动态单调加载和预加不同初始静载(0%、30%、60%)的单调动态加载(5×10-4/s)。大坝混凝土芯样试验成果,揭示了当前溪洛渡大坝混凝土的静态抗拉力学特征及在动态荷载作用下抗拉强度、峰值应变和吸能能力等随应变速率的变化规律,以及初始持续静态荷载对动态抗拉性能的影响。通过试验数据拟合及统计分析,建立了溪洛渡大坝混凝土的抗拉应力应变曲线解析表达式。试验成果将为溪洛渡大坝抗震深化研究提供科学依据。

一维动静组合加载下圆柱孔洞花岗岩的力学性能及破裂特征

地应力集中和动力扰动是诱发深部岩石工程灾变的两个重要因素,开展动静组合加载下含孔洞岩石的力学特性研究能够为揭示深部岩石工程动力灾变提供参考。本文将地下巷道结构简化为含圆柱形孔洞的岩石试样,利用动静组合加载系统分别测试了不同轴向静载(σ_(s))下试样的动态力学特性,分析了σ_(s)对试样动态力学响应的影响;并对动静组合加载下圆柱孔周边的能量分布特征进行了数值模拟。结果表明:试样动态损伤总是从圆柱孔周边开始;当σ_(s)为27 MPa和36 MPa时,试样动态强度、割线模量达到最大值;试样动态损伤范围随轴向静载的增加先减小后增大,且σ_(s)大于27 MPa后,岩爆现象逐渐增强;在动静组合加载下,最大应变能密度始终出现在垂直于加载方向的圆柱孔周边。

基于静动载试验的预制装配式T梁桥承载能力

为评价新建预制装配式桥梁的结构性能和工作状态,对遂德高速公路九龄岗大桥40 m T梁段进行单梁静载试验、全桥静动载试验以及有限元仿真分析。通过静载试验测试了单梁与成桥阶段控制截面的应变、挠度,并结合有限元计算结果对比分析,采用脉动试验和行车试验获得了桥梁的自振特性、不同行车速度下的动力效应和冲击效应。研究表明:单梁与全桥静载作用下结构应变及挠度校验系数均满足规范要求,卸载后相对残余应变及位移远小于规范规定的20%,结构承载能力良好;边梁在各级加载下的挠度、应变值与荷载横向分布系数均大于中梁,总体上变形、应力分布较均匀,结构抗扭刚度与强度有一定安全储备;脉动试验实测阻尼比为1.139%,小于规范规定的5%,该桥动力特性良好,在结构体系振动过程中具有较好的能量耗散性能;行车试验中随着车速增加,结构动力效应越显著,动挠度、动应变与冲击系数有明显增大的趋势,实测冲击系数为0.065~0.133,表明该桥面平整度良好。

初始静载对不同剪跨比BFRP筋混凝土梁动态剪切性能的影响

为揭示初始静载对玄武岩纤维增强(basalt fiber reinforced polymer,BFRP)筋混凝土(BFRP-RC)梁动态剪切性能的影响,建立了考虑混凝土非均质性、混凝土与BFRP筋间相互作用及各材料应变率效应的三维细观数值模型。在验证了该模拟方法合理性与准确性的基础上,分析了初始静载对不同剪跨比BFRP-RC梁破坏过程与失效机制的影响。研究结果表明:BFRP-RC梁的抗剪承载力及变形能力均随应变率增大而提高;应变率对梁抗剪承载力的增强作用随剪跨比增大而减弱;在峰值荷载前应变率突增,BFRP-RC梁的刚度增加,抗剪承载力提高;在峰后软化段应变率突增,BFRP-RC梁的峰后软化转变为峰后硬化,而后出现第二峰值荷载;BFRP筋混凝土梁的动态抗剪承载力均随初始静载增大而降低,但梁抗剪承载力的降低量是否与后续应变率有关取决于初始静载水平;在各应变率下,BFRP筋混凝土梁的变形能力及损伤程度均随初始静载的增大而减小,但增大后续应变率会削弱初始静载对梁动态性能的影响。

冲击倾向煤样在不同应变率载荷作用下破裂的声发射及碎片分形特征

现有研究针对岩石受载破坏过程的声发射特征和试件碎片分形特征进行了相关分析,并取得了一定成果,但针对冲击倾向煤样在不同应变率单向受载条件下破坏程度的定量描述及与加载应变率定量关系的研究较少。针对该问题,基于MTS-C64.106型电液伺服系统对原煤试件在单轴静态载荷基础上施加不同应变率载荷试验,试验中采用PCI-2卡型声发射卡对试件受载破裂过程开展实时监测,同时应用分形理论对试件破裂碎片进行处理分析,定量评价试件破碎程度及与载荷应变率的关系。结果表明:(1)在静态载荷基础上,试件破坏的峰值强度随着应变率动载荷的升高而逐渐上升。(2)随着加载应变率增大,声发射总体数量减少,高能声发射事件增多,声发射振铃计数和能量幅值经历缓增-急增-突增的一致转变过程。(3)试件受载的能量输入速率与声发射振铃计数、内部撞击数增长趋势基本一致,即也会经历缓增-急增-突增的变化。(4)声发射与震动强弱正相关的常数随加载应变率增大而减小,与高低能震动数之比负相关的常数随加载应变率增大而增大;原煤试件的破坏模式会发生剪切破坏-劈裂破坏-爆裂破坏的转变。(5)当加载应变率较低时,试件主要是上半部分破坏,应变率增大后由试件中部逐渐向下半部分延伸破坏,原煤试件在动载应变率作用下的破坏过程主要是裂纹的脆性扩展行为。(6)试件冲击碎片质量分维与加载应变率呈二次函数关系,即存在加载应变率极值使试件破坏程度达到最大,试验显示该值为2.8×10^(-3)s^(-1)。