冲击导致的材料弹塑性激光干涉测量

该文针对安全和采矿专业的材料力学实验教学中缺乏冲击弹塑性实验的现状,设计了一种测量材料冲击弹塑性方案。采用冲击气炮和快速激光干涉仪进行了实施,实验中的样品是脆性岩石材料。实验结果显示在特定的冲击作用下的岩石表面粒子速度会呈现弹塑性两个阶段。随着冲击强度的增加,弹塑性阶段的表面粒子速度发展幅度发生显著变化,总体呈现冲击弹性强度随着冲击速度增加而增大。实践表明,实验方案的建成与实施丰富了材料力学的实践教学环节。

冻融循环下混凝土细观结构演化及力学损伤特性研究进展

周期性冻融循环会对季冻区混凝土材料的细观结构产生不可逆损伤,进而劣化其承载能力与耐久性能。混凝土的冻融破坏本质上是内部孔/裂隙等初始缺陷在周期性冻胀力的作用下发生的疲劳损伤累积。因此,开展冻融循环条件下混凝土材料细观结构损伤演化特性的研究对于评估寒区在役混凝土结构的安全性具有重要的意义。围绕冻融循环条件下混凝土细观结构演化及力学损伤特性两个核心内容,针对混凝土细观结构获取与表征技术、混凝土冻融循环室内物理试验与数值模拟方法,以及混凝土力学损伤特性与耐久性评估等方面的研究现状进行了系统的总结与分析。传统的冻融研究主要集中于宏观尺度下混凝土局部损伤演化,从细观尺度入手,研究了冻融循环下混凝土细观结构演化与力学损伤特性,有助于更加深入地了解宏观力学性能与耐久性劣化背后的冻融破坏机制与初始孔/裂隙缺陷扩展-聚并-贯通的发展规律。在此基础上,建立考虑冻融参数的细观结构演化与宏观损伤特性之间的内在联系,实现冻融环境下混凝土材料宏观物理力学特性的准确分析。为寒区工程结构服役期的损伤特性识别、稳定性与耐久性分析提供参考。

侧向冲击荷载作用下钢丝绳动力响应试验

为研究侧向冲击荷载作用下钢丝绳的动力响应,分别对单根钢丝绳和交叉钢丝绳网进行了抗冲击试验,并考虑了其表面状态及材质、直径和连接方式对钢丝绳抗冲击性影响。结合材料的拉伸试验,分析了钢丝绳的静力和动力性能。结果表明,不同的表面状态及材质只影响钢丝绳弹性阶段的变形能力,对钢丝绳承载能力影响不大。钢丝绳表面状态及材质仅对静力拉伸下的弹性模量有影响,对钢丝绳抗冲击性能的影响不大;针对单根钢丝绳冲击试验工况,相同冲击物质量冲击时,直径越小的钢丝绳中部应变值较大,直径越大的钢丝绳端部应变值较大;卡扣连接的钢丝绳经历了由松弛状态到绷紧状态再到受荷状态三个不同的阶段,螺栓连接的钢丝绳直接从绷紧状态开始到受荷状态,卡扣连接钢丝绳变形比螺栓连接的大,受强冲击荷载时容易失效,连接可靠度低。

爆炸堵孔装置堵塞效果的实验研究

为了提高隧道掘进爆破中炮孔的堵塞效果,利用铝管在爆炸作用下膨胀的特性设计了一种堵孔装置,然后通过动态应变仪测量堵孔装置膨胀撞击钢管的环向应变,通过万能试验机对模拟炮孔中的爆炸堵孔装置进行单轴压缩脱模,通过高速摄影记录水泥墩的爆破过程,从而评估爆炸堵孔装置的堵塞效果。结果表明:钢管在爆炸堵孔装置膨胀撞击下产生的环向应变峰值达到0.02,说明爆炸堵孔装置膨胀冲击孔壁的作用力较大,有利于堵孔装置与孔壁贴合;爆炸堵孔装置与孔壁贴合后的抗压强度为4.1~5.5 MPa,抗剪强度为0.49~0.66 MPa,远大于常规炮泥的抗剪强度(0.09 MPa),其在实际使用中与炮泥配合使用,能有效抑制炮泥运动。采用传统炮泥进行堵塞的水泥墩出现冲孔,爆破后的水泥墩未出现破坏;采用爆炸堵孔装置进行堵塞的水泥墩未出现冲孔,堵孔装置在孔口产生裂纹后才被冲出,爆破后的水泥墩最终裂成三部分。因此,爆炸堵孔装置可大幅改善堵孔效果,从而发挥爆生气体的破岩作用,并有效增强了抛掷作用,对改善隧道掏槽眼的爆破效果具有重要意义。

新型分层装配式节点钢框架地震易损性分析

为提高装配式钢框架的装配效率,结合节点抗震性能要求,提出一种新型全螺栓分层装配式节点。对新型和传统两类节点进行抗震性能试验研究,并把节点参数引入整体框架模型中,采用SAP2000建立两类框架模型并进行增量动力分析。考虑基于层间位移角的单参数损伤模型和基于变形与累积耗能的双参数损伤模型,定义结构性能水准限值并划分破坏等级,对结构进行地震易损性分析。结果表明:在单、双参数损伤指标下,新型节点框架的易损性曲线都包络于传统节点钢框架的易损性曲线内,且新型节点框架的抗倒塌储备系数更大,说明采用新型节点能降低结构在各破坏状态下的失效概率,提高框架的抗倒塌能力;在LS1、LS2极限状态下结构基于单参数损伤指标的峰值加速度中位值比基于双参数损伤指标下的峰值加速度中位值小,在LS3、LS4极限状态下则相反,说明累积耗能对结构抗震性能评估影响明显,结合双参数损伤指标能更好地预测结构的损伤程度;新型节点框架在单、双参数损伤模型下的倒塌储备系数均高于传统框架,说明新型框架的抗倒塌储备能力更高,有利于结构抗震。

Kevlar29纱线动态拉伸力学性能与本构方程

为了能够清晰地表征芳纶纱线在不同应变率下的力学行为,进行了Kevlar29纱线的准静态和动态拉伸试验,结合分离式霍普金森拉杆理论和运动目标追踪法,获得了Kevlar29纱线在不同应变率下的应力-应变曲线,分析了纱线动态拉伸的变形与断裂过程,揭示了Kevlar29纱线力学性能的应变率效应;通过最小二乘法拟合得到了基于纱线应变率效应的黏弹性本构方程,分析了三元件和五元件本构模型的差异及适用性。结果表明:随着应变率升高,Kevlar29纱线的断裂应变减小,拉伸强度和韧性先增大后减小,拉伸模量先增大后趋于稳定;五元件黏弹性本构模型能够较好地表征纱线力学性能的应变率效应。

低速冲击作用下混凝土板破坏效应试验研究

为探讨混凝土板在低速冲击作用下的破坏效应,利用落锤试验机对6组混凝土板进行试验研究,分析了不同冲击速度、混凝土板强度和长厚比对混凝土板冲击破坏效应的影响;采用高速摄像机记录了各个试件在冲击过程中裂缝的发生、发展直至破坏的全过程。试验表明:在冲击荷载下混凝土板的裂缝分布随冲击速度的提高向冲击点局部集中有明显趋势,在较高能量下混凝土板在冲击点附近发生冲切破坏;并且基于试验现象推导了考虑板结构整体变形的冲击力计算方法,与试验结果对比可知,该计算方法结果偏差在25%以内,该计算方法合理。

综合管廊燃气仓内爆炸下冲击波衰减规律研究

为了得到综合管廊燃气仓在内爆炸作用下冲击波的衰减规律,通过LS-DYNA有限元软件,建立了典型三仓室综合管廊模型,模拟了燃气仓在不同爆炸荷载下的内爆炸情况。获得了管廊的破坏模式、燃气仓内空气中心线各点的超压时程曲线以及超压峰值曲线。结果表明:炸药量对燃气仓影响较大,对电力仓影响不大;在燃气仓内,随着炸药药量的增大,各点在同一爆炸荷载下的超压曲线线型与超压峰值差距越大;在不同爆炸荷载下,各点冲击波超压峰值的最大值在距离爆炸中心2~5 m之间,在距离爆炸中心10 m处,冲击波超压峰值衰减至1 MPa以下;各点冲击波超压峰值曲线随着与爆炸中心距离的增大表现出先增大后减小的趋势,其中当炸药药量为10 kg时,燃气仓内各点冲击波超压峰值曲线出现了波动,这与管廊内部墙板裂缝的出现有关。

基于内聚力模型的复合裂纹耦合扩展多尺度数值模拟研究与实验验证

在外载荷作用下,材料的破坏与失效问题是一个涵盖从微观到宏观、从时间到空间等多个尺度相互耦合与关联的系统性科学问题。本研究以α-Ti材料为例,首先运用微观观测实验手段分析了α-Ti的显微组织结构和相结构,采用蒙特卡洛方法对微结构(晶粒大小、形状及分布)进行随机抽样处理,确定了其微结构的分布规律。通过与实验测得的材料强度做对比分析,并结合图像处理的方法获得微结构的定量化信息,探明了微结构对材料宏细观性能的影响,为微观尺度的分子动力学模型提供了可靠的基础。然后建立了三组包含复合微观缺陷的α-Ti拉伸微观计算模型,分别获得了界面层粘结力与其上下表面的相对位移之间的定量关系(T-S曲线)。由于T-S曲线中包含了与裂纹尖端演化相关的微观信息(如位错发射和运动、裂尖钝化、裂纹偏折、孔洞成核和长大、孪晶等),再将T-S曲线与曲线中关键转折点所对应的原子构型相结合,从原子尺度观察并解释了α-Ti材料中不同复合微观缺陷扩展的现象、规律和机理。最后,采用基于原子模拟的内聚力模型对单调拉伸条件下CT试件的裂纹扩展做多尺度分析,研究了不同微观缺陷对材料宏观断裂参数的影响程度。

基于Tsai-Wu失效准则的复合材料气瓶爆破压力预测与试验验证

针对车载CNG复合材料气瓶,根据网格理论设计了碳纤维在气瓶的封头段与筒身段的缠绕角度与厚度,并利用ANSYS APDL语言实现了碳纤维在封头段的变角度与变厚度缠绕,建立了复合材料气瓶三维有限元分析模型,利用该有限元模型进行了各种内压工况下的强度分析,并基于Tsai-Wu失效准则,得出复合材料层的破坏因子,预测了该气瓶的爆破压力与爆破位置并通过爆破试验验证了有限元计算的正确性。结果表明,该复合材料气瓶爆破内压为67 MPa,爆破位置在筒身段与封头段的过渡处,并沿筒身段扩展。

抗冲击型聚脲弹性体涂层的合成及性能表征

聚脲作为一种高分子材料,在结构抗冲击、防爆领域得到了大量的研究与应用。采用半预聚物法合成NCO质量分数为15.0%~15.5%的聚脲弹性体涂层,分析了异氰酸酯指数对聚脲涂层材料综合性能的影响,并探讨了胺类扩链剂比例对其固化性能、附着力及拉伸性能的影响规律,同时测试了聚脲涂层材料在准静态、动态下的拉伸性能。结果表明:异氰酸酯指数为1.0,聚脲涂层材料显示出优异的综合性能;端氨基聚醚D-2000与T-5000质量比为9∶1,扩链剂E100与W6200质量比为1.6∶1时,聚脲涂层材料的固化速度较快,拉伸强度不低于20 MPa,断裂伸长率不低于480%,硬度为94 A。性能分析揭示了聚脲涂层材料受拉时的应力-应变行为非线性特征及应变率效应,对聚脲涂层材料的工程防护应用有一定指导意义。

疏松态ZrH_(2)的冲击压缩特性研究

通过平板撞击和冲击回收实验,研究了孔隙率(P)分别为20%和35%疏松态ZrH_(2)的冲击压缩特性,获得了其冲击绝热线(P=20%,U_(s)=1.879+1.639u_(p);P=35%,U_(s)=0.666+2.610u_(p))。孔隙率为35%的疏松态ZrH_(2)冲击回收产物的XRD和SEM分析结果表明,在16.2 GPa的冲击入射压力下,ZrH_(2)没有物相变化,但出现了冲击破碎细化和团聚现象。实验结果证实了基于孔穴塌缩理论建立的疏松材料冲击绝热线预测方法具有较好的适用性,并据此对孔隙率25%~50%疏松态ZrH_(2)的冲击绝热线关系进行了对比计算分析,实验和计算结果表明孔隙率对冲击绝热线影响较大,低孔隙率ZrH_(2)更利于获得高冲击压力。相关研究结果可为ZrH_(2)在混合炸药和反应活性材料中的应用提供参考。

鄂西渝东地区泥页岩力学特性层理结构效应研究

针对鄂西渝东地区油气藏泥页岩储层水力压裂方案的优化问题,进行了0°,22.5°,45°,67.5°,90°层理角度的室内三轴试验,分析了层理效应和围压效应对泥页岩力学特性的影响。研究表明:当围压水平较低时,峰值强度与层理角度呈现近似“W”型的变化趋势,且提高围压时,“W”型的变化趋势转变为“V”型的变化趋势;弹性模量与层理面倾角的变化趋势呈现负相关关系,泊松比与层理面倾角大致呈现“V”型变化规律;泥页岩的断裂形态可大致归纳为劈裂破坏、张拉破坏、复合剪切破坏;脆性指数和层理面角度的关系均呈现“N”型变化规律。

X80钢裂纹扩展与失效过程的多尺度模拟与实验验证

为研究带微缺陷的X80钢的裂纹扩展与失效演化机制,首先在原子尺度建立了多组包含不同微观缺陷的X80钢拉伸微观计算模型,获得了各条包含裂纹尖端演化微观信息的T-S曲线,根据T-S曲线上关键转折点对应的原子构型图,从原子尺度观察分析了X80钢中不同微观缺陷扩展的现象和规律;然后在连续介质尺度建立了包含内聚力单元的单向拉伸CT试件有限元模型,将T-S曲线中反映出的材料核心微观特征引入内聚力模型中作多尺度分析,研究微观缺陷对材料宏观断裂参数的影响程度。结果表明:X80钢钝裂纹、空洞等微缺陷对微观模型裂纹尖端最大应力、微观模型强度的影响程度不同,钝裂纹的影响大于空洞的影响。实验验证了多尺度数值模拟结果的可靠性。

不同密度泡沫铝的静动态压缩力学性能

采用电液伺服万能试验机和改进SHPB直接撞击系统对不同密度梯度泡沫铝进行了准静态和动态压缩试验,获得了3种相对密度泡沫铝在不同应变率下的单轴压缩应力-应变曲线,分析了相对密度和应变率对泡沫铝力学性能、吸能特性的影响。结果表明:在同一种应变率下,随着相对密度的增加,泡沫铝弹性阶段屈服应力和平台应力显著提升,而致密应变则会提前。相对密度高的泡沫铝其单位体积吸收能量越多,两者呈现正相关性;相对密度低的泡沫铝其吸能效率越大,两者呈现负相关性。随着应变率的增加,泡沫铝单位体积吸收能量逐渐提高,吸能效率变化不大。

高吸水性树脂多孔混凝土静态力学特性与损伤本构模型

利用大小可控的球形高吸水性树脂(SAP)与水泥基制成SAP多孔混凝土,对其进行一维应变加载,探究了孔隙率为38%、48%、53%的SAP多孔混凝土静态力学性能及耗能特性。结果表明:SAP多孔混凝土应力-应变曲线具有多孔材料典型的三阶段特征;且孔隙率、平台应力、压实应变对材料能量吸收有显著影响;在密度为997~1321 kg/m^(3)内,SAP多孔混凝土的吸能能力会随孔隙率减小而增加。根据实验结果结合损伤因子和Weibull分布理论,建立了基于SAP多孔混凝土密度的损伤本构模型,得到预测不同密度的SAP多孔混凝土损伤演化行为的本构模型,且模型预测结果与试验结果吻合较好。

爆炸堵孔装置在直眼掏槽中的应用

为了评估爆炸堵孔装置的堵塞效果,将装有导爆索的爆炸堵孔装置放入模拟炮孔中进行爆炸实验,然后通过万能试验机对其进行单轴压缩脱模实验。结果表明:爆炸堵孔装置与孔壁贴合后的抗压强度为26.5~35 MPa,抗剪强度为3.07~3.4 MPa,远大于常规炮泥的抗剪强度(0.09 MPa)。将爆炸堵孔装置用于隧道爆破直眼掏槽眼中,并对原有的孔网参数进行优化,结果显示:在保证掏槽进尺的情况下,掏槽眼孔数相对于优化前减少了35%,而且炮孔的间距也相应增大,有利于降低相邻掏槽孔贯穿的风险,从而有效提高施工效率。因此,将爆炸堵孔装置与炮泥联合使用,可大幅增强炮孔堵塞效果,从而防止爆生气体过早逸出,延长爆生气体在炮孔内的作用时间,进而充分发挥爆生气体的气楔破岩作用,并有效增强爆生气体的抛掷作用,对保证隧道直眼掏槽爆破效果具有重要意义。

海洋大气环境下锈蚀低屈服点钢材滞回性能与循环加载本构

为研究海洋大气环境下隔震耗能元用低屈服点钢材的抗震性能退化问题,本工作开展了LYP100和LYP160钢人工加速腐蚀与循环加载试验,研究了近海环境低屈服点钢材的锈蚀演化规律与滞回行为。结果表明:海洋大气环境下低屈服点钢材呈显著点蚀损伤;随着腐蚀龄期t延长,质量锈蚀率η、锈坑平均深度C与宽度W逐渐增大,而试件截面厚度■逐渐减小;所提出形貌参数■及■对锈蚀表面空间特异性具有显著表征意义,且使其随t增大而愈加离散;另外,随着腐蚀龄期延长与锈蚀参数不断增大,试件屈服平台逐渐消失,加卸载极限峰值应力逐渐回落,耗能能力逐渐退化。当锈蚀两种试件■分别增加至8.4与10.4时,加/卸载峰值应力降低幅度达到16.4%和15.3%,滞回能J分别降低21.0%和23.7%。最后,基于锈蚀低屈服点钢材的同向强化与随动强化,提出了基于Chaboche模型的循环加载本构,并根据锈蚀结果对混合强化参数进行了标定,结果表明:Chaboche模型对锈蚀低屈服点钢材循环加载滞回行为具有较高的模拟精度。本工作可为在役低屈服点钢耗能元(件)的剩余性能评价与合理维护提供理论指导。

弹体正侵彻钢筋混凝土靶的试验及数值模拟研究

开展了直径156 mm的大尺寸弹体正侵彻钢筋混凝土靶试验,通过预埋压力传感器获得了侵彻过程中不同位置处混凝土的压力值;结合数值模拟,分析了混凝土的损伤分区及不同位置的钢筋应力状态。结果表明:处于弹道附近的混凝土压力最大,峰值脉冲明显;随着距离的增加,峰值减小且脉宽增大,应力脉冲的形状由尖峰演变为相对平坦的波形。粉碎区内的钢筋达到其屈服强度,破裂区钢筋处于弹性状态,弹性区和未扰动区钢筋应力基本可以忽略。

高温及碱性条件对高庙子钠基膨润土膨胀力的影响

为研究长期强碱-热作用下高庙子钠基膨润土膨胀力的劣化效应,针对内蒙古兴和县高庙子钠基膨润土,设计了24组试验,试验条件为:NaOH浓度为0.5mol/L,碱-热温度为25、90、150、210℃,时长为2、4、6、8、10、12个月。对碱-热处理后的膨润土进行X射线衍射(XRD)试验,采用自制膨胀仪对初始干密度为1.7 g/cm^(3)的膨润土试样进行恒体积膨胀力试验,渗透介质为蒸馏水,结果表明:(1)随着碱-热时长及温度的提高,蒙脱石含量、最大膨胀力和水化反应时长均减小;(2)径向与竖向最大膨胀力的比值为0.5左右,与碱-热条件无关;(3)基于膨胀力损伤因子和老化时长缩减因子建立膨胀力随时间演化的调动函数,该模型较好地预测了各碱-热环境下膨胀力时程曲线;(4)损伤增量由碱-热温度或时长下的损伤速率决定,温度会促进膨胀力劣化效应。