基于单晶硅各向异性特征的纳米压痕过程有限元仿真研究

本文采用各向异性弹塑性材料本构关系,利用非线性有限元软件MSC.Marc建立了单晶硅纳米压痕过程的三维模型,分别用玻氏、维氏、圆锥形和球形压头对单晶硅（100）晶面进行了纳米压痕过程的仿真分析,研究了单晶硅对于不同形状的压头、不同压头半锥角、不同最大加载力的加、卸载响应特性。仿真结果表明,压入相同深度时,圆锥形压头所需载荷最小,材料对圆锥形和球形压入产生的应力应变分布呈现出各向异性,体现了单晶硅在不同晶向上的材料性能存在差异。当最大加载力为25mN时,仿真得出维氏压头在单晶硅（100）晶面产生的压痕深度约为300nm,与相应实验结果基本相符。     

测试原位纳米压痕的微小型加载装置

提出一种用于原位纳米压痕测试的微小型精密加载装置。结合纳米压痕测试的基本要求,对精密加载装置进行了结构设计分析,建立了以压电叠堆推动柔性铰链推进单晶金刚石工具头实现压痕测试的方案,依据胡克定律利用柔性铰链敏感单元实现对压入力信号的检测。对压入柔性铰链单元进行了力学分析和模态研究,在此基础上,对研制测试平台样机的压入特性、载荷力检测等进行了试验测试,并利用研制的样机对单晶硅晶片进行了压痕试验。加载装置在100V驱动电压下压头有效行程可达11.96μm,基本满足压痕测试的功能要求。     

气雾栽培马铃薯块茎的基本物理特性

对气雾栽培马铃薯块茎进行了压缩破坏和静载蠕变试验,分析了不同加载方向和不同加载速率对其破裂应力和破裂应变的影响.运用四元件Burgers模型对气雾栽培马铃薯块茎的蠕变过程进行了模拟,探索了其流变特性.压缩破坏试验表明,气雾栽培马铃薯沿各轴向压缩时的屈服极限和破坏极限均低于土壤栽培的马铃薯,压缩载荷的加载速率对气雾栽培马...     

非饱和土等效时间流变模型

为了理论分析流变速率效应力学特性,需要建立非饱和土流变模型.首先把非饱和土屈服面分为LC和SI屈服面。其次根据LC屈服面的压缩蠕变公式,利用等效时间法建立相应的黏塑性体应变速率公式,结合巴塞罗那屈服方程和相关联流动法则,获得LC屈服面的三维流变速率方程,揭示了本文与Gennaro-Pereira提出的LC后继屈服面方程的异同。再次,根据SI屈服面的吸力压缩蠕变公式,利用等效时间法建立相应的黏塑性体应变速率方程.最后,把LC和SI屈服面的流变速率方程与弹性方程相结合,建立非饱和土等效时间三维弹黏塑性模型.当不考虑流变速率效应时,LC和SI流变屈服方程可以退化到巴塞罗那模型的塑性屈服方程.理论分析了非饱和土一维流变特性,并与土工试验数据进行对比,两者较为吻合。三轴加载条件下的流变特性数值分析结果表明,按不同方式施加到同一恒载时,随着恒载维持时间的增长,不同加载方式引起的体积流变趋向一致,但剪切流变有较明显的差别.     

基于DSCM的岩石蠕变变形场演化试验研究

采用分级加载方式对一种红砂岩试件进行单轴压缩蠕变试验,通过Charge-Coupled De-vice(CCD)相机采集加载全过程的试件表面散斑图像,以白光数字散斑相关方法(DSCM)对分级加载不同阶段试件表面变形场演化及裂隙位移演化进行观测和分析.结果表明:在分级加载过程中,试件的瞬时变形量随着载荷的增加而减小,蠕变变形量随着载荷的增加而增加;低应力水平,试件处于均匀变形状态,不发生蠕变或蠕变量较小;中等应力水平,裂隙产生及裂隙在整个恒载期间未发生蠕变扩展的变形累积阶段;高应力水平,裂隙在恒载初期的变形累积到恒载后期的裂隙稳定蠕变扩展,最终加速蠕变扩展;当岩石试件变形出现裂隙区域后,裂隙的位移错动和位移拉伸直接影响了岩石蠕变位移特征.裂隙的位移错动速率包括减速错动、稳定错动和加速错动3种形式.     

魏家沟滑坡滑带土非饱和蠕变特性试验研究

滑带是滑坡的一个重要结构要素,滑带土则是滑坡滑动过程中形成的特殊岩土体,其蠕变特性是滑坡动态演化过程的直接反映.降雨是滑坡失稳的重要诱因,在降雨入渗的条件下会导致滑带土常年处于非饱和状态,研究降雨条件下的滑坡滑带土非饱和蠕变特性具有很重要的意义.以栾川魏家沟滑坡滑带土为研究对象,开展了一系列非饱和土蠕变试验.采用陈氏加载法,得到了相同净围压、不同基质吸力、不同应力水平下的蠕变试验曲线.采用Boltzmann叠加原理对数据进行处理,分析滑带土非饱和蠕变特性,发现同一偏应力水平下,蠕变变形及变形速率均随着偏应力的增大而增大,且随着基质吸力的减小而增大;建立了一种包含基质吸力的Singh-Mitchell蠕变模型,即剪应力-应变关系采用指数函数表示,应变-时间关系采用幂函数表示.     

平面应变条件下含孔洞土样受内压作用的变形破坏过程

在不同加载速率下,利用自主研制的平面应变模型加载及观测系统对平面应变条件下含孔洞土样进行双轴压缩实验。垂压由试验机施加,土样受到的内压和侧压作用由气囊施加。在对土样施加内压和侧压后、进行位移控制加载前,操控数码相机对喷涂了散斑的土样表面图像进行拍摄,以记录土样在位移控制加载过程中的全部变形过程。利用数字图像相关方法获得土样的位移场,利用能较好滤掉位移场噪声的局部位移最小二乘拟合方法获得最大剪切应变的分布及演变规律。为了定量获得最大剪切应变且分析方便,根据清晰剪切带位置,布置曲折测线并在其两侧布置平直测线。研究发现：当加载速率较低且纵向应变达到一定值时,拉破坏导致土样的孔洞顶部和底部发展出高角度应变局部化带,而当加载速率较高时,未出现上述现象;当纵向应变较高时,在孔洞表面附近,随着向孔洞表面的逐渐靠近,大多数剪切带内测线上的最大剪切应变逐渐增加,而大多数带外测线上的最大剪切应变则逐渐下降;当纵向应变较高时,在离孔洞表面较远处,随着向孔洞表面的逐渐靠近,大多数剪切带内测线上的最大剪切应变逐渐增加,而大多数带外测线上的最大剪切应变则变化复杂。     

以等应变速率曲线为基础的岩石长期强度确定方法

长期强度是岩石时效强度的一种,是影响和评价岩体工程长期稳定性的一个重要性质.为更准确地求解长期强度,以等应变速率曲线为基础,提出了等应变速率曲线拐点法及极限应变法两种确定岩石长期强度的新方法.对锦屏二级水电站的绿片岩开展了单轴和三轴应力状态的常规和分级加载蠕变试验以验证上述方法,并利用文中提出的方法对绿片岩长期强度求解,得到了不同围压状态下绿片岩的长期强度值.同时,在极限应变法的求解过程中,结合蠕变曲线,得到了蠕变变形稳定时间以及相应的极限应变值.试验成果表明:两种方法均可求得长期强度,数值接近且符合长期强度的经验值;单轴以及三轴应力状态下长期强度分别为瞬时强度的66.9%(单轴)、68.0%(围压10 MPa)、79.6%(围压10 MPa).文中提出的确定长期强度的方法具有一定的可行性,同时,围压是影响长期强度的主要因素之一,具体表现为随着围压的升高,长期强度与瞬时强度的比值升高.     

预加应变对硫化橡胶损伤性能影响的试验研究

通过对一种硫化橡胶在单轴拉伸条件下进行的循环加载试验,得到了不同速率和不同预应变条件下材料的应力-应变关系曲线,由此分析了不同加载速率及预应变条件对硫化橡胶材料力学性能的影响.分别以应变能密度峰值、加载段所围面积和弹性模量法计算损伤参量,基于试验结果分析了硫化橡胶在不同预加应变条件下的损伤性能.研究结果表明:循环加载情况下,硫化橡胶的主应力峰值随加载速率的升高而增大,力学性能随循环次数的增加而趋于稳定;在预加应变条件下,硫化橡胶材料的损伤变化呈非线性增长,预应变量保持在0.3倍拉伸比以内能达到较好的使用效果.     

高应变速率下载荷方向对镁合金力学性能的影响

为了研究高应变速率下AZ31B镁合金动态力学行为各向异性,采用分离式霍普金森压杆（SHPB）对沿挤压方向（ED）、法向（ND）及横向（TD）加工的AZ31B镁合金在应变速率为1.058~2.500s-1范围内进行冲击压缩实验,并采用扫描电镜观察压缩断口形貌.结果表明：高应变速率下AZ31B镁合金沿ED方向和ND方向有明显的应变强化现象,而沿TD方向应力对应变速率不敏感;随应变速率的增加,不同载荷方向屈服强度与最大应力值的差值变化程度有所不同,其中沿ND方向差值变化最大,沿TD方向差值变化最小;通过观察扫描断口形貌发现,在高应变速率下AZ31B镁合金在不同载荷方向下的断裂方式均为解理断裂.     

Determination of plastic equation of state by indentation method on 304 stainless steel

An indentation method for determining the plastic mechanical equation of state (PES) was studied. The constant loading rate and constant loading rate/load indentation tests were carried out. The method for determining the work-hardening coefficient and the strain rate sensitivity coefficient of PES were discussed in detail. 304 stainless steel hot-treated at 1100℃ was used to verify the method. The work-hardening coefficient and strain rate sensitivity coefficient of 304 stainless steel were respectively determined as 0.30 and 0.015. These values are very close to those achieved by tensile tests. From the establishment of the PES of 304 stainless steel it is shown that the PES obtained by the indentation method is easier than that by the tensile test.     

早龄期低钙粉煤灰基地聚物混凝土拉伸徐变特性

对早龄期低钙粉煤灰基地聚物混凝土拉伸徐变特性的把握,能够为受拉状态地聚物混凝土的应力解析及开裂预测提供重要的参数依据。采用自制混凝土拉伸徐变试验装置,通过恒定应力下的混凝土拉伸徐变试验获取混凝土比徐变、徐变增长速率等徐变特性,研究不同初始加载龄期（2、3、4 d）对低钙粉煤灰基地聚物混凝土拉伸徐变的影响。结果表明：高温密封养护可以使低钙粉煤灰基地聚物混凝土短时间内达到强度稳定状态;低钙粉煤灰基地聚物混凝土的拉伸徐变特性与普通水泥混凝土相似,试验初期阶段徐变增长速率较快,随持荷时间的增加,徐变增长速率迅速下降;在同一应力强度比下,初始加载龄期越大,比徐变越小,试验初期阶段的徐变增长速率也越小;相较于试验中期阶段与后期阶段,初始加载龄期对试验初期阶段的徐变影响更大。     

Viscous property of dried clay

One dimensional and triaxial compression tests of air-dried and oven-dried Fujinomori clay and Pisa clay were carried out. Water content is less than 4.5% and 1.0% for air-dried and oven-dried clay specimens, respectively. In all tests, axial strain rate was changed stepwise many times and drained creep tests were performed several times during monotonic loading at a constant strain rate. Global unloading （and also reloading in some tests） was applied during which creep loading tests were performed several times. Cyclic loading with small stress amplitude and several cycles was also performed to calculate the modulus of elasticity of the clay in tests. Local displacement transducer was used in triaxial compression test to increase measuring accuracy of axial strain. The results show that air-dried and oven-dried clay have noticeable viscous properties; during global unloading, creep deformation changes from positive to negative, i.e. there exist neutral points （zero creep deformation or no creep deformation point） in global unloading part of strain-stress curve; viscous property of Fujinomori clay decreases when water content decreases, i.e. viscous property of air-dried Fujinomori clay is more significant than that of oven-dried Fujinomori clay.     

混凝土圆柱体早期收缩徐变性能试验研究

通过恒温恒湿条件下对素混凝土徐变柱在不同加载龄期下进行短期持荷试验,得到了混凝土圆柱体早期收缩徐变规律,对比了不同加载龄期下混凝土圆柱体早期徐变性能差异性.试验表明：混凝土早期收缩应变随时间逐步增大,收缩应变率变化较小,早期体外收缩应变较体内收缩应变要大,体内外收缩应变差值随着时间有增大趋势;混凝土早期徐变系数随持荷时间而增大,徐变增长速率逐步减小,混凝土圆柱体体内实测徐变系数较体外实测徐变系数偏小;在持荷初期阶段,加载龄期越大,徐变系数越小,徐变系数增长速率越快.     

软土的等效时间线剪切流变模型

为反映软土剪切流变的非线性特性,建立剪切流变模型,修正了Singh-Mitchell提出的指数型剪切蠕变经验公式,使之适用于低修正应力水平工况.根据黏塑性剪应变-耗散剪应力-等效时间之间的关系方程推导出黏塑性剪应变速率与剪应力和黏塑性剪应变之间的函数表达式.把该表达式和剪切弹性模型相结合,建立了剪切弹黏塑性模型.以此模型为基础,不但获得了有效围压恒定时单级和多级荷载作用下的剪切流变解析解,而且还获得了有效围压和剪应力均随时间变化时的剪切流变积分解答.结果表明,流变模型能够较好地定量模拟三轴固结排水试验中多级加载作用下的剪切蠕变发展过程,合理地反映剪应变随修正应力水平(或剪应力)、有效围压和持续时间等影响因素变化的流变规律.     

三轴压缩下粉砂质泥岩蠕变力学特性试验研究

为揭示三峡地区巴东组二段粉砂质泥岩的蠕变力学特性,采用RLJW-2000岩石流变伺服仪对饱和粉砂质泥岩进行了三轴压缩蠕变试验。试验在分级加载条件下进行,试验围压为1 MPa。基于试验结果,定量研究了粉砂质泥岩蠕变过程中轴向蠕应变与径向蠕应变的差异、轴向蠕变速率与径向蠕变速率的差异,得出了岩石的长期强度。研究结果表明:1)在各级应力水平下,试样径向蠕应变占径向总应变的比例始终比轴向蠕应变占轴向总应变的比例大,岩石的径向蠕变效应更明显。2)在破裂应力水平下,岩石径向蠕变比轴向蠕变先进入加速蠕变阶段,径向的初始蠕变速率、稳态蠕变速率以及加速蠕变速率均高于轴向相应的蠕变速率,以径向蠕变特征来判别粉砂质泥岩是否发生蠕变破坏更合理。工程实践中,应加强对岩石径向蠕变特性的监测工作,这对于工程失稳的预测预报更有意义。3)粉砂质泥岩的长期强度仅为其瞬时强度的74.4%,长期强度折减较大。4)试验中获得的长期强度实际上应为粉砂质泥岩的径向长期强度,径向先发生蠕变破坏从而导致试样破坏。     

丹巴二云片岩蠕变试验研究

摘 要：丹巴水电站二云片岩为薄片状变质岩,其片理发育明显,各项异性显著。虽然关于岩石的蠕变特性研究已非常广泛深入,但关于片理结构对岩石蠕变特性影响的研究却鲜有文献涉及。通过对丹巴二云片岩进行了垂直和平行于片理面加载的蠕变试验研究,并基于试验结果,分析了片理结构对二云片岩蠕变特性的影响。发现了平行于片理面加载易使岩石呈劈裂破坏,而垂直于片理面加载易导致岩石剪切破坏。垂直于片理面加载的岩石蠕变应变远远大于平行于片理面加载的岩石蠕变应变。平行于片理方向加载的岩石蠕变破坏强度以及长期强度小于垂直于片理方向加载的岩石蠕变破坏强度以及长期强度。     

Creep properties and resistivity-ultrasonic-AE responses of cemented gangue backfill column under high-stress area

To investigate the creep and instability properties of a cemented gangue backfill column under a highstress area, the uniaxial compression creep tests were conducted by single-step and multi-step loading of prismatic samples made of cemented gangue backfill material(CGBM) under the high stressstrength ratio. The creep damage was monitored using an electrical resistivity device, ultrasonic testing device, and acoustic emission(AE) instrument. The results showed that the CGBM sample has a creep hardening property. The creep failure strength(CFS) is slightly larger than the uniaxial compressive strength(UCS), ranging in ratio from 108.9% to 116.5%. The instantaneous strain, creep strain, and creep rate increase with increasing stress-strength ratio in the single-step loading creep tests. The instantaneous strain and creep strain decrease first and then increase during the multi-step loading creep process. The axial creep strain of the CGBM column can be expressed by the viscoelastic-plastic creep model. Creep instability is caused by the accumulation of strain energy under multi-step loading and the continuous lateral expansion at the unconstrained middle position during the creep process. The creep stability of a CGBM column in a high-stress area can be monitored based on the variation of electrical resistivity, ultrasonic pulse velocity(UPV), and AE signals.