Dynamic Fracture Behaviors of Selected Aluminum Alloys Under Three-point Bending

The dynamic fracture behaviors of the extruded 2024-T4 and 7075-T6 aluminum alloys are investigated by using an instrumented drop tower machine.The specimens are made from a 25 mm diameter extruded circular rod.The dynamic three-point bending tests of each alloy are carried out at different impact velocities.The initiation fracture toughness and average propagation fracture toughness of 2024-T4 and 7075-T6 are determined at different loading rates.The results show that both the initiation toughness and the propagation toughness increase with the loading rate.Further,the difference between the fracture toughness behaviors of 2024-T4 and 7075-T6 is found to be dependent on the variation of fracture mechanism.The comprehensive fractographic investigations of the fracture surfaces clearly demonstrate that the fracture mode of 2024-T4 is predominantly transgranular fracture with high density small-sized dimples,and the fracture mode of 7075-T6 is mainly intergranular fracture with many intermetallic particles in the bottom of voids located in the fracture surface.

型钢-UHPC轻型组合桥面板及其抗弯性能研究

正交异性钢桥面是目前800m以上国内外特大跨径钢桥的唯一选择,主因是自重轻、强度高、架设方便。但其存在疲劳开裂风险大、运维成本高的缺点。随着高性能材料UHPC的研发和应用,为构建自重轻、病害少、经济性好的桥面新结构提供了可能性。经过多年研究,作者提出一种新型桥面板结构——型钢-UHPC轻型组合桥面结构,将型钢、钢板条与UHPC组合,桥面板的形成无任何板件焊接,因而具有高抗疲劳性,且与传统钢桥面相比,自重持平、造价减半,可作为除“正交异性钢桥面”外的“第二种”大跨径钢桥的桥面结构方案。该文研究这种轻型组合桥面板预制板及横向接缝的抗弯性能,制作4个条带模型(包括2个预制板试件和2个接缝试件),开展三点弯曲的横向接缝负弯矩试验和预制板正弯矩试验,并对试验结果进行分析;基于“条带法”建立预制板试件极限承载力计算模型,提出接缝试件的UHPC开裂名义拉应力计算方法;基于某斜拉桥应用实例,进行整体计算和局部计算,验证新型组合桥面结构在实桥上应用的可行性。研究结果表明:(1)型钢与UHPC间在极限状态前相对滑移非常小,具有良好的协同受力性能;(2)预制板试件的正弯矩极限承载力以型钢屈服控制,而接缝试件负弯矩极限承载力以UHPC开裂和加密钢筋断裂控制;(3)接缝试件的“T形”接缝、加密钢筋、燕尾形的企口、交错式切割型钢钢条等构造设计对接缝整体抗弯拉性能有很好的提高效果;(4)预制板试件极限承载力计算模型所得计算值与试验值吻合良好,该模型搭配名义拉应力计算方法,可帮助工程实际问题的设计与应用;(5)试验结果与实桥的有限元计算值相比,新型桥面结构均有1.3倍以上的安全系数,新型组合桥面应用于实桥具有可行性。

基于数字图像相关的地聚物混凝土轨枕的力学性能分析

随着混凝土轨枕在我国的广泛应用,混凝土的生产带来大量的能源消耗和碳排放。地聚物作为一种新型低碳材料,能在节能减碳的同时消耗矿渣和粉煤灰等固废。目前,针对地聚物应用于铁路轨枕的相关研究,如混合使用水泥与粉煤灰、矿渣的地聚物混凝土轨枕及其裂缝扩展特性的研究还比较有限。本文设计2种配合比的地聚物混凝土并制造成轨枕,使用数字图像相关(Digital Image Correlation)技术,在轨下截面的三点弯曲实验下分析2种配合比下轨枕挠度、裂缝扩展特性及裂缝宽度发展规律。研究结果表明,2种配合比地聚物混凝土轨枕的抗弯承载力均高于普通混凝土轨枕。相比于普通混凝土轨枕,地聚物混凝土轨枕在较低的静荷载作用下挠度较大,但随着荷载的增加轨枕挠度的增长速度较慢,刚度损失较小,弹性阶段延续的荷载区间更长,这种特征在配合比为Geo50的地聚物混凝土轨枕上更为显著。2种配合比的轨枕微裂纹萌生的荷载相近,分别为130 kN和120 kN。在较低荷载下2种轨枕裂缝扩展相差不大,在较高荷载下配合比为Geo100的地聚物轨枕的裂缝发展加快,裂缝宽度值和增长速度都大于Geo50。配合比为Geo100的地聚物混凝土轨枕主要表现为受弯正截面破坏,配合比为Geo50的地聚物混凝土轨枕主要表现为受剪斜拉破坏。掺入部分水泥代替矿渣和粉煤灰的地聚物能使所制成轨枕在较高的荷载下保持更高刚度和更缓慢的裂缝扩展速度,该方案有助于推动地聚物应用于混凝土轨枕,促进铁路双碳战略贯彻与实施。

混凝土加固施工中的环氧树脂胶改性及效果研究

针对传统混凝土施工中环氧树脂胶质脆韧性不足和高温易流挂的问题,提出通过气相白炭黑(MSD)对传统环氧树脂结构胶进行改性。试验结果表明,在酚醛胺固化剂T-31掺量为15%,聚酰胺固化剂PA掺量为40%,硅烷偶联剂KH-792的掺量为3%,超细石英砂掺量为40%,纳米碳酸钙掺量为20%,MSD掺量为3%;短切碳纤维掺量为6%配比下制备的结构胶性能最佳。14 d压缩强度、拉伸强度、正拉粘接强度和拉伸抗拉强度分别为81、34、5.5和18.5 MPa。表现出良好的阻裂粘接性能,可以在桥梁混凝土加固中发挥重要作用。

玄武岩纤维增强复合材料拉挤圆管抗弯性能研究

为使玄武岩纤维增强复合材料(Basalt Fiber Reinforced Polymer,BFRP)拉挤圆管在桥梁工程中得到更广泛地应用,对其抗弯性能进行试验及有限元分析。对2根长度为750 mm的BFRP拉挤圆管进行三点抗弯试验;采用LS-DYNA有限元软件对试验过程进行模拟,验证有限元模拟的正确性;在保持BFRP拉挤圆管总厚度不变的条件下,研究内、外层双向纤维布的铺设厚度和角度对抗弯性能的影响。结果表明:试件从加载至破坏分为线弹性阶段、下降阶段和残余阶段,试件破坏后残余强度较大且卸载后迅速回弹恢复几何形状;有限元模拟试件的荷载~滑移曲线、失效现象和试验结果吻合较好,有限元模拟正确;布置适量厚度的内、外层双向纤维布可以提高试件的抗弯承载力;将内、外层双向纤维布铺设方向由90°变为45°后,抗弯承载力进一步提高,随着外层45°纤维布厚度增加,破坏时的挠度下降。建议制作BFRP拉挤圆管时,布置适量厚度的双向纤维布,角度以45°为宜。

蜂窝板几何参数对芯子剪切模量测量值的影响

为了通过三点弯曲试验获得蜂窝芯子较准确的剪切模量,基于商用铝蜂窝夹层板几何参数与典型剪切模量值,对三点弯曲试验有限元仿真模型进行校验,研究了蜂窝夹层板几何参数对测得芯子剪切模量值的影响规律。利用Sobol法对各影响因素进行灵敏度分析,拟合得到简化代理模型。基于简化代理模型,给出了三点弯曲试验中蜂窝夹层板几何参数适用可行域。研究结果表明,蜂窝夹层板几何参数对芯子剪切模量测量值的影响程度由大到小的顺序为芯子密度、面芯厚度比和面板厚度。在给定的可行域内,通过三点弯曲方法测得的蜂窝芯剪切模量精度良好,可为实际工程提供参考。

循环热力作用岩石I型断裂试验方法及其可行性研究

探明岩石在循环应力和循环温度作用后的断裂特性对于保障地下洞室压缩空气储能这一“双碳”工程的稳定性具有重要现实意义。提出了循环热力作用岩石I型断裂试验方法并对该试验方法的可行性进行了研究。为研究经循环应力和循环温度作用后的岩石受力变形特性和I型断裂特性,设计了相应的带裂缝岩石试件,并提出了相应的试验步骤;采用COMSOL Multiphysics软件对设计的试件进行升降温和单轴压缩试验模拟,采用相场断裂方法模拟三点弯梁断裂试验,获得相应热力响应和裂缝路径,论证试验方法的适用性与可行性。数值模拟结果表明,所提出的试验方法可获得与理论解误差极小的温度场、应力场和裂缝扩展路径,可只对一个试件进行试验而获得循环热力作用过程中的岩石受力变形特性以及循环后的I型断裂特性。

玻纤增强甲基丙烯酸酯基UV-CIPP材料抗弯性能及失效分析

管道修复用紫外光原位固化(Ultraviolet cured-in-place pipe,UV-CIPP)材料是一种玻纤复合材料,其抗弯性能是评价管道修复效果以及材料优化设计所需的重要参考指标。以玻纤增强甲基丙烯酸酯基UV-CIPP材料为研究对象,考虑固化时间、固化距离、紫外灯功率和材料厚度的影响,基于融合高清视频和SEM观测的三点弯曲试验,对玻纤增强甲基丙烯酸酯基UV-CIPP材料抗弯性能和失效机制进行了研究。结果表明,UV-CIPP材料的失效过程可以分为三个阶段:弹性阶段、基体开裂阶段和玻纤布断裂阶段,基体开裂、脱粘分层和纤维拉拔断裂是玻纤增强甲基丙烯酸酯基UV-CIPP材料弯曲失效的主要原因。在单一变量影响下,玻纤增强甲基丙烯酸酯基UV-CIPP材料弯曲强度和弯曲模量随固化时间、固化距离和紫外灯功率的增大均呈现出先增大后减小的趋势,随着材料厚度的增大却逐渐减小。本研究不仅为UV-CIPP材料的优化设计提供了参考依据,也为国产化UV-CIPP材料的发展奠定了重要基础。

基于有限元分析的钛合金椎弓根螺钉抗弯性能结构优化

钛合金因其优异的力学性能和生物相容性,广泛用于椎弓根螺钉的制备。椎弓根螺钉植入人体后,受脊柱的屈曲伸展和横向弯曲作用,螺钉发生疲劳弯曲最终导致螺钉松动甚至断裂,影响植入稳定性。因此有必要对钛合金椎弓根螺钉抗弯性能进行研究。通过单因素实验与正交实验分析设计不同结构参数椎弓根螺钉,结合有限元分析与力学实验的方法,使用三点弯曲试验对钛合金椎弓根螺钉的抗弯性能进行模拟仿真与实验验证,并对螺钉结构参数进行优化。结果表明,模拟结果与实验结果吻合较好,螺钉结构参数对抗弯性能的影响顺序为外径大于螺纹深度大于螺距,最佳参数为螺钉外径5.5 mm、螺纹深度0.65 mm、螺距1.60 mm,优化后的螺钉对比标准椎弓根螺钉,最大支反力提高74.7%。

高抗折矿渣硫铝酸盐水泥混凝土抗疲劳性能研究

传统水泥混凝土公路路面面临的主要问题是路面易开裂劣化和抗疲劳性能较差,这些问题大大缩短了路面的使用寿命,严重制约了水泥混凝土路面的发展和推广应用。矿渣硫铝酸盐水泥(Slag-Calcium Sulfoaluminate Cement,S-CSA)是一种具有高抗折强度的新型胶凝材料,利用该水泥制备的混凝土路面具有解决现有路面抗疲劳性能差的潜力。通过三点弯曲疲劳试验和声发射试验,对比分析了高抗折S-CSA混凝土和普通硅酸盐水泥(Ordinary Portland Cement,OPC)混凝土的抗疲劳性能。研究结果表明:相同荷载作用下,高抗折S-CSA混凝土粗骨料断裂数量更多;不同强度等级下,高抗折S-CSA混凝土的疲劳寿命均高于OPC混凝土,且提升幅度随着强度等级的提高而显著增加,最高可达到约7.2倍;钙矾石的生成有效改善了界面过渡区,从而提升了高抗折S-CSA混凝土的抗疲劳性能。

混凝土三点弯曲梁随机骨料模型的开裂模拟

在试验表征及工程实践中,仿真可以准确反映裂缝的发展规律.采用内聚力模型来研究混凝土梁三点弯曲试验的宏观力学性能和细观开裂损伤破坏行为.在三点弯曲试验中的受力破坏的全过程研究中,对I型断裂能、II型断裂能、抗剪强度、抗拉强度及弹性模量(刚度)这5个控制单元开裂的关键参数进行了反演研究.通过宏观力学性能和细观开裂的试验结果,对一组试件的试验结果与参数化模型结果进行逆推分析,得到了控制因素在模拟中适用的参数范围.然后结合不同配合比试件的骨料定量化信息,对3个骨料面积不同的模型,应用已得到的参数范围中值来模拟获得裂缝扩展的定量结果,并对照模拟与试验的力学性能和裂缝量化结果验证参数范围的准确性.

考虑支点摩擦和试样长宽比影响的压实黏土SENB试样的I型断裂参数研究

利用有限元软件ABAQUS对不同长宽比条件下单边切槽梁(SENB)试样I型应力强度因子进行了数值模拟,探讨了支点摩擦作用对试样无量纲应力强度因子Y_(Ⅰ)及无量纲T应力T^(*)的影响规律。结果表明,试件长宽比增大会导致Y_(Ⅰ)和T^(*)的值逐渐增大,摩擦系数增大会导致Y_(Ⅰ)减小;长宽比较小的试样经支点摩擦作用后,T^(*)会减小并使断裂轨迹更加稳定。通过压实黏土I型断裂试验,对比了考虑和不考虑支点摩擦效应的试验结果,验证了数值模拟的准确性。

采用声发射技术测试的疏浚砂混凝土断裂性能研究

为探讨疏浚砂混凝土的断裂力学性能,对5种不同疏浚砂取代率(0%、12.5%、25%、37.5%、50%)的混凝土开展三点弯断裂试验,并结合声发射技术监测混凝土断裂破坏全过程。基于声发射事件数构建混凝土Weibull损伤模型,分析模型参数的变化规律。结果表明,随着疏浚砂掺量的增加,混凝土的起裂断裂韧度和失稳断裂韧度先减小后增大;混凝土断裂过程中声发射振铃计数和能量反映了疏浚砂混凝土断裂破坏过程的3阶段特征,且随着疏浚砂掺量的增加,声发射振铃计数及能量累计值呈逐渐增大的趋势。随着疏浚砂掺量的增加,混凝土的脆性增大,其损伤累积速率加快,混凝土产生初始损伤的变形逐渐减小。

高、低温耦合场水工混凝土弯、压力学研究

为研究来龙灌区二干渠除险加固工程中水工混凝土主材弯、压力学特征影响特性,设计开展了高、低温物理作用下的力学试验,分析了高温、冷冻物理作用对混凝土试样强度、应变影响。试验结果表明,高温温度愈高,抗弯强度呈先增后减变化,而抗压强度呈一致性增大特征,但后者受高温作用影响敏感性弱于前者。在高温物理作用下,弯曲应变破坏特征会逐步由应变软化过渡至硬化,但压缩应变始终呈应变脆性。试验研究表明,冷冻负温增大,弯曲应力、压缩应力均会同向性提高,但前者受低温作用影响高于后者,压缩应变在低温作用下更大,低温每梯次向负温增大10℃,分别可导致抗弯、抗压强度提高27.6%、9.5%。本研究成果可为系统研究水工混凝土弯、压力学特征及力学试验设计提供参考。

钢纤维增强大掺量再生骨料混凝土力学与断裂性能

通过立方体抗压试验、劈裂抗拉试验与三点弯曲试验,探讨再生粗、细骨料较高取代率和钢纤维掺量对再生混凝土力学性能与断裂性能的影响。测试了试件28 d的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度与双K断裂韧度,分析了再生混凝土基本力学性能与断裂性能之间的相关性,提出了钢纤维增强大掺量再生骨料混凝土起裂断裂韧度及失稳断裂韧度与劈裂抗拉强度的计算关系。结果表明:再生粗、细骨料以50%质量取代率分别替换天然碎石与河砂,钢纤维体积掺量为1.0%时,抗压强度与劈裂抗拉强度达到最高,分别达到天然混凝土的77.12%与93.97%。掺加1.0%的钢纤维后,试块的失稳断裂韧度明显增加,并且在再生细骨料掺量为50%时均超过了天然混凝土。

基于数字图像相关光测法的CFRP测试与分析

为了开展碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced plastics, CFRP)片材的拉伸弹性模量和弯曲模量测试,对CFRP试件进行拉伸试验和三点弯曲试验,同时开展了电测法和数字图像相关(digital image correlation, DIC)光测法的测量与分析.研究结果表明:通过电测法与DIC光测法测得的拉伸弹性模量分别为19.1 GPa和19.3 GPa,结果较为接近;通过电测法和DIC光测法测得的弯曲模量分别为18.5 GPa和19.2 GPa,结果相差较大;基于轴拉试件的电测法数据,建立了三点弯曲有限元模型,电测法分析得到的试件位移场、应变场与DIC光测法分析结果吻合,验证了DIC光测法计算结果的可靠性;与电测法相比,DIC光测法具有非接触、场域测试特性等优点,可用于实时监测试件面域位移场,从而得到其面域应变场.

基于边界效应理论的沥青混合料强度参数研究

为了研究沥青混合料的强度参数和断裂性能,在边界效应理论基础上,预制切口偏中距离的影响,引入等效峰值载荷换算公式,得到了一种改进边界效应模型。在5℃的条件下开展了不同偏中距离的三点弯曲试件AC-13级配沥青混合料断裂试验,采用扩展有限元法对同样尺寸的三点弯曲试件进行了模拟,通过载荷位移曲线验证了数值模型的可靠性。将试验与数值模拟获得的峰值载荷代入到改进模型推导了沥青混合料的抗拉强度和断裂韧度,最后利用模型结果反演拟合得到偏中距离对峰值载荷的影响曲线。结果表明,本研究模型推导和反演结果均与试验结果接近,证明改进边界效应模型不仅克服了原有模型无法应用在复合型断裂试件的局限性,还为沥青混合料的弹脆性断裂性能确定提供了一种预测方法。

剑麻纤维对再生骨料混凝土断裂性能的影响

为改善再生骨料混凝土(RAC)的断裂性能,在RAC中掺入剑麻纤维,并基于三点弯曲梁试验,研究了再生粗骨料(RCA)和剑麻纤维对RAC断裂性能的影响.结果表明:与普通混凝土相比,100%RCA取代率且未掺剑麻纤维时,混凝土的起裂韧度、失稳韧度和断裂能分别降低20.36%、17.36%和20.66%;当剑麻纤维长度为10 mm、体积分数为0.2%时,其对RAC的起裂韧度改善效果最佳,且较未掺剑麻纤维RAC的起裂韧度提高37.81%;就失稳韧度和断裂能而言,剑麻纤维的最佳体积分数为0.3%;剑麻纤维的掺入可有效提升RAC的断裂性能.

纤维再生微粉水泥基复合材料断裂性能分析

基于三点弯曲试验,研究水胶比、再生微粉取代率、纤维种类对纤维再生微粉水泥基复合材料(FRPCC)断裂性能的影响.根据双K断裂参数分析各因素对FRPCC的增韧效果,并结合微观形貌分析各因素对FRPCC韧性的改善机制.结果表明:水胶比增大使纤维再生微粉水泥基复合材料失稳韧度先升高后降低;断裂韧度随着再生微粉取代率提升呈现先增后减的趋势;单掺玄武岩纤维(BF)会使FRPCC脆性增加,聚乙烯醇纤维(PVA纤维)占比增大能够明显提升FRPCC的断裂韧度;当水胶比为0.28、再生微粉取代率为45%、复掺0.2%玄武岩纤维和1.7%PVA纤维时,微观结构紧密,断裂韧度最优.

不同加载速率下SAP混凝土断裂性能研究

为研究加载速率对高吸水性树脂(SAP)混凝土断裂性能的影响,本文浇筑了不同内养护水灰比SAP混凝土试件,采用三种加载速率开展缺口梁三点弯曲试验,测量和分析不同试件的断裂模式、裂纹开口位移和断裂韧性。试验结果表明:SAP混凝土和普通混凝土均具有应变率效应,且适量的SAP和内养护水可以提高混凝土的断裂能;随着内养护水灰比的增加,SAP混凝土的峰值强度比持续下降,起裂韧度和失稳韧度都呈逐渐降低的趋势;随着加载速率的增加,两种韧度都呈增长的趋势。本文提出的基于内养护水灰比和加载速率双因素影响的峰值强度比和断裂韧性拟合模型可为SAP混凝土在实际工程中的应用提供参考。