Reliability analysis of FRP laminated plates with consideration of both initial imperfection and failure sequence

A probabilistic progressive failure analyzing method is applied to estimating the reliability of a simply supported laminated composite plate with an initial imperfection under bi-axial compression load. The initial imperfection and the strength parameters are considered as random variables. Ply-level failure probability is evaluated by the first order reliability method (FORM) together with the Tsai-Wu strength criterion and Tan criterion. Current stresses in the laminated structure are calculated by the classical lamination theory with the stiffness modified based on the last step ply failure. Probabilistically dominant ply-level failure sequences leading to overall system failure are identified, based on which the system failure probability is estimated. A numerical example is presented to demonstrate the methodology proposed. Through parameter studies it is shown that the deviation of the initial imperfection and some of the strength parameters largely influence the system reliability. Project supported by the Scientific Research Foundation for Returned Overseas Chinese Scholars, State Education Ministry, and the Research Foundation of Huazhong University of Science and Technology.     

基于S准则发展的混凝土动态多轴强度准则

通过对经典强度理论或准则的强度参数分析,将强度参数转化为由混凝土的单轴压缩和单轴拉伸强度表示,结合S准则给出的混凝土单轴强度的率效应规律,得出了强度参数受应变率影响的率效应函数,进而将常用的静态多轴强度准则摩尔-库伦强度理论、松岗-中井强度理论、德鲁克-普拉格强度理论、拉得-邓肯强度准则和胡克-布朗强度准则发展为动态多轴强度准则.利用混凝土动态单轴压缩和动态单轴拉伸试验结果统计分析给出的S准则率效应参数,分析了5种强度准则中强度参数随应变率的变化规律以及取值范围.基于混凝土单轴压缩和单轴拉伸强度,分别给出了5种强度准则在子午面、偏平面和平面应力条件下的强度曲线与主应力空间中的强度曲面,对比分析了5种强度准则间的异同,以及每种强度准则随应变率的变化规律.利用混凝土材料的动态双轴和动态真三轴强度试验结果,分析评价了5种动态多轴强度准则,并且阐述了各动态多轴强度准则的应变率适用范围.德鲁克-普拉格强度理论与试验结果相差甚远,不适于描述混凝土材料的强度规律.动态双轴加载时,在拉压区各强度准则差别不大,都可较好地描述试验规律;在压压区各强度准则差别较大,松岗-中井强度理论与试验结果吻合最好.在动态真三轴比例加载时,摩尔-库伦强度理论和胡克-布朗强度准则无法考虑中主应力的影响;松岗-中井强度理论和拉得-邓肯强度准则都可较好地描述试验规律.      

基于数字摄影测量的结构面信息表征及应用研究

结构面的存在直接影响岩体的强度、变形特征及破坏机制。为探究夏甸金矿矿区结构面的存在对岩体力学参数和岩体质量情况的影响,利用数字摄影测量技术快速获取研究区域结构面几何信息,并通过三维建模、激光扫描技术以及VR-Platform虚拟现实平台实现了结构面二维几何信息的真三维表征。基于此,利用广义Hoek-Brown强度准则分析计算了各研究区域的岩体力学参数,并根据岩体基本质量指标BQ值进行了岩体质量分级评价。结果表明,夏甸金矿岩体力学参数指标和岩体质量指标均较好;矿体下盘距离矿体方向越远,岩体完整性系数和岩体力学参数越低;利用广义Hoek-Brown强度准则计算所得岩体力学参数除内摩擦角外数值均与前期试验所得数据基本一致,计算所得岩体内摩擦角度偏大的原因,可能是其未考虑结构面自身的颗粒直径和形态等对岩体内摩擦角的影响。     

一种适合于岩石材料的双剪模型

岩土类材料强度理论分为单剪强度理论、三剪强度理论和双剪强度理论。三类强度理论的典型代表是Mohr -Coulomb强度理论、Drucker-Prager准则和双剪强度理论。单剪强度理论、三剪强度理论和双剪强度理论都有其相应的单元模型 ,分析单元体上对单元体破坏起主要作用的应力 ,建立各应力分量之间的数学关系 ,形成岩土类材料的强度理论。本文分析岩石围压试验和真三轴试验下的破坏及强度特征 ,提出一种适合于岩石材料的双剪模型 ,与三类强度理论建模方法相同 ,可以得出一系列新的强度理论     

四种强度准则在高聚物粘结炸药强度分析中的适应性

强度准则是炸药材料破坏力学的重要组成部分,是炸药部件承载能力评估的基础。基于单轴加载技术,设计了圆柱试件的端部约束压溃试验方法,对HMX基PBX和TATB基PBX两种材料进行了复杂应力下的强度失效试验。依据试验边界条件和平均测试结果,利用有限元方法定量分析了试件内部的应力场分布,最后采用最先破坏处的三向主应力数据分析了四种典型强度准则在PBX强度分析中的适应性。就描述精度来看,Mohr-Coulomb准则最优,误差在15%以内,Twin-shear准则和Drucker-Prager准则次之,现常用的Uniaxial-strength准则相对最差。就安全阈度来看,Uniaxial-strength准则最优,两种材料中安全阈度均超过75%,Mohr-Coulomb准则和双剪Twin-shear准则次之,Drucker-Prager准则相对最差。总的来讲,Mohr-Coulomb准则可用于描述HMX基PBX的表观强度上限和TATB基PBX的表观强度下限,Twin-shear准则可用于描述TATB基PBX的表观强度上限。     

枚举模糊随机主要失效模式的准则法

基于模糊不确定性向随机不确定性的等价转换和有限元分析计算，建立了以失效模式相对重要度为依据的广义主要失效模式枚举的工程准则法．该方法可以综合考虑材料参数、结构几何以及外载荷等基本变量的随机和模糊两种不确定性因素对失效模式相对重要度的影响，通过合理选择门槛值，可以在保证计算精度的基础上尽可能的减小计算工作量．以平尾转轴的模糊随机可靠性分析为算例，给出了门槛值的经验值，并说明了所建工程准则法的合理性．     

正态变量相关情况下可靠性灵敏度分析的新方法

基于独立正态变量情况下可靠性灵敏度分析的线抽样法,提出了一种求解正态相关变量情况下可靠性灵敏度的新方法。在所提方法中,首先将正态相关变量等效变换为正态独立变量,然后利用线抽样方法独立完成等效独立变量情况下失效概率对独立变量的所有分布参数的灵敏度分析,最后依据等效变换前后变量分布参数之间的解析关系和复合函数求导公式,求得...     

含概率与区间混合不确定性的系统可靠性分析方法

系统可靠性问题中通常存在大量的不确定参数,传统方法一般是基于概率模型对系统进行可靠性分析,但是实际工程中由于数据缺乏或试验条件的限制往往难以得到参数的精确概率分布.本文将结构体系一部分样本信息充足的不确定变量用随机变量进行描述,而另一部分样本缺乏的用区间表示,并提出了一种新的含概率与区间混合不确定性的系统可靠性分析方法.首先,基于一个高效求解方法获得单失效模式下结构的最小可靠度指标;再针对多失效模式下含概率与区间混合不确定性问题建立了系统可靠性分析模型;考虑各失效模式之间的相关性,通过线性相关度计算方法求得相关系数矩阵;最后提出了串联体系和并联体系可靠度求解方法.3个数值算例表明,该方法可以实现含概率与区间混合的多个非线性失效模式下系统可靠度的计算.通过对比传统的概率可靠性分析方法,本文方法只需要少量的不确定信息便可确保系统更加安全,更适合复杂结构系统可靠性的分析和设计.     

Triaxial stress state of cylindrical openings for rocks modeled by elastoplasticity and strength criterion

An analytical solution for calculating the triaxial stress state around a cylindrical opening in an elastoplastic cohesive medium is developed. Magnitude of the slip zones around a cylindrical opening in crack-weakened rock masses is considered by modifying the existing strength criterion for rocks of different types. The disturbance coefficient, the geological strength index and the other strength parameters are also investigated.     

不同应变率下煤岩破坏特征及其本构模型

利用直径50 mm的分离式霍普金森压杆,对煤岩展开20～100 s?1动态应变率下的单轴冲击压缩试验,结合高速摄影分析其变形破坏特征,并建立基于Weibull统计分布和Drucker-Prager破坏准则的煤岩动态强度型统计损伤本构模型。试验结果表明:（1）煤岩动态应力-应变曲线存在明显的非线性特征,随应变率升高,动态抗压强度与弹性模量均呈线性增长且增幅显著,破坏形态由低应变率下的轴向劈裂破坏向高应变率下的压碎破坏过渡;（2）在动态应变率20～100 s?1下,煤岩破坏后碎块具有明显的分形特性,破碎块度分维值为1.9～2.2,且随着应变率的升高,煤岩破碎程度增大,碎块块度减小;（3）基于Weibull分布参数F₀、m和应变率的关系,修正煤岩的本构模型,并与试验结果进行对比,验证该模型的合理性。     

腐蚀管道的可靠度分析方法研究

对腐蚀管道的模糊可靠度计算方法进行了深入研究，提出了确定性可靠度和模糊可靠度两个基本概念；提出了基于断裂失效判据、基于FAD失效评估图和基于剩余强度3种方法计算模糊可靠度的方法；提出了3种新的方法计算确定性可靠度，即改进的JC法、GA—JC法和改进的Monte-Carlo法．以胜利油田某试验区已加入缓蚀剂的注水管道为例，采用本文建立的计算模糊可靠度的3种计算方法和确定性可靠度的3种方法，分别计算注水管道可靠度随着时间的变化趋势．在模糊可靠度的3种计算方法中，基于剩余强度失效方法比较适中，是计算模糊可靠度较好的方法；在确定性可靠度的3种计算方法中，改进的Monte-Carlo法较好．     

Linear Mohr-Coulomb strength parameters from the non-linear Hoek-Brown rock masses

Most conventional computer codes, design practice and standards in rock engineering are formulated in terms of a linear Mohr-Coulomb (MC) failure criterion. However, experimental data shows that the failure of almost all types of rock masses follows a modified Hoek-Brown (HB) failure criterion that is non-linear. In order to avoid the difficulty resulting from the non-linearity of the strength envelope of rock masses in calculation of bearing capacity, the equivalent MC strength parameters from the modified HB failure criterion are developed for practical use in engineering. From the results, it is found that the equivalent strength parameters depend on not only the non-linear HB failure criterion but also the surcharge load and self-weight, which is different from the published results.     

基于D-P准则的盾构隧道围岩与衬砌结构相互作用分析1）

在进行盾构隧道管片衬砌结构载荷计算时，常采用全土柱或压力拱理论计算围岩松动压力，但当盾构隧道面临深埋条件且需计入形变压力时，该方法难以适用.鉴于此，基于Drucker-Prager屈服准则，推导了考虑渗流效应影响下围岩与衬砌结构相互作用的弹塑性解析解，给出了围岩弹、塑性区应力与位移、塑性区半径等关键参数与支护阻力间关系的解析式.阐述了上述解析结果在确定衬砌结构载荷中的应用，即建立围岩与衬砌结构静力平衡状态并求二者对应曲线的交点.进一步地，考虑接头引起管片衬砌结构整体刚度降低对围岩与衬砌结构相互作用的影响，引入刚度折减系数，并在衬砌结构围岩压力确定中对施工期流固耦合效应的影响和渗流力对衬砌结构支护特性曲线的影响进行了简化处理.最后，通过算例将解析解与水下盾构隧道载荷实测值和数值计算值进行了比较.结果表明：用解析方法得到的施工期和稳定期的管片衬砌结构围岩压力比现场实测值分别大28%和12%，稳定期围岩压力比数值计算值大5%，可为类似工程的设计施工提供一定的参考价值.     

基于遗传算法的隧道围岩变形稳定可靠性分析

由于隧道的开挖,隧道围岩的初始应力状态将发生变化,围岩发生卸荷变形,并可能导致隧道的失稳。为了研究隧道开挖后围岩变形的可靠性,建立了隧道围岩变形可靠度指标计算模型,并用遗传算法进行求解。应用本文方法对一高速公路隧道围岩变形的可靠性进行分析。从结果可以看出,围岩的潜在破坏区域出现在拱顶和两侧拱肩区域,从这些区域的可靠度指标和破坏概率值可以看出,该隧道毛洞的拱顶下沉和拱肩收敛可靠度都满足不了规范的要求,要及时进行支护。     

基于统一强度理论的非静水压圆形隧道塑性区半径的脆塑性摄动解

基于统一强度理论和弹?脆?塑性模型, 综合考虑围岩强度的中间主应力效应和脆性软化, 采用摄动法建立了非静水压圆形隧道塑性区半径的解析解, 继而探讨所得解析解的适用范围, 并与文献复变函数法、摄动法、数值模拟和总荷载不变法进行对比, 最后分析各因素对隧道塑性区形状和大小的影响规律. 研究结果表明: 所建立的圆形隧道塑性区半径摄动解析解为反映中间主应力效应不同程度的系列解答, 可退化为理想弹塑性模型解答且得到文献中4种方法的正确性和合理性验证, 适用于塑性区完全包围隧道的情况, 对应的隧道塑性区为双轴对称的类椭圆, 具有广泛的理论意义和工程应用价值; 摄动参数对隧道类椭圆形塑性区的大小和长/短轴变化都有明显影响; 隧道塑性区范围随中间主应力效应、围岩峰后强度参数的增加均显著减小, 说明不考虑中间主应力效应的Mohr?Coulomb强度准则解答偏保守, 弹?脆?塑性模型相比理想弹塑性模型更适合隧道塑性分析.      

基于均匀化理论的页岩微观多孔黏土强度特性

页岩强度是页岩油气开发所必需的基础技术参数之一,对页岩强度的研究贯穿于钻完井、压裂工艺施工的全过程.常规宏观室内实验存在试样获取困难、耗时较长,受井下工矿制约,地球物理方法获取资料品质欠佳且增加了井下设备卡、埋风险.因此,提出基于均匀化理论评价页岩微观多孔黏土强度的方法,进行多孔黏土组成与力学分析.基于耗散能原理和Drucker-Prager准则,开展了微观多孔黏土的强度与$\pi$函数的应变求解分析;讨论黏土颗粒与粒间孔隙的力学特性,建立多孔黏土的均匀化应变能;采用强度均匀化理论构建微观非线性函数模型,建立与多孔黏土组成、摩擦系数、内聚系数等参数相关的均匀化函数模型;基于纳米力学实验、量纲分析和有限元模拟,分析多孔黏土硬度、强度与组成的内在关系.研究结果表明,页岩微观多孔黏土的弹性模量和硬度与黏土堆积密度正相关,当黏土堆积密度一定时,硬度与内聚系数的比值受摩擦系数影响较大,为非线性递增;通过量纲分析和有限元模拟,求解页岩微观多孔黏土关于硬度--强度--堆积密度的$\pi$函数,揭示页岩微观黏土矿物的组成与力学性质的关系,为进一步深入研究页岩细观强度参数和宏观强度预测奠定基础.      

汽轮机动叶片的可靠性设计方法

提出了汽轮机叶片可靠性设计方法,介绍了叶片可靠性的含义和计算方法。该方法以概率论和统计学为基础,把汽轮机叶片的静应力、动应力、叶片疲劳强度、叶片安全倍率、叶片振动频率和激振力频率处理为随机变量,通过试验数据的统计分析和计算,确定有关随机变量的分布参数。使用概率设计法、应力与强度干涉模型确定汽轮机叶片疲劳强度和振动设计的可靠度。文中给出了叶片疲劳强度的动应力设计法和安全倍率设计法以及第一种调频叶片、第二种调频叶片和整圈连接叶片组的振动可靠性设计的计算公式和一些应用实例。使用这些方法,可以在设计阶段确定汽轮机叶片设计的可靠度,为汽轮机叶片的可靠性设计提供了科学的依据。     

元件与模式相对重要度对静强度可靠度的影响分析

本文通过研究指出,在运用增量载荷法寻找每级可能破坏元件时,必须考虑每个元件变异系数的影响,以避免漏掉极限承载能力很大但可靠度很低的失效模式;同时指出,结构失效的各个模式对系统可靠性的影响不仅与其本身发生失效的概率有关,而且与这个模式的重要程度有关,并提出了采用加权系数来计及每个失效模式的重要程度对结构系统可靠性影响的方法;最后用算例说明了本文方法的合理性。     

Zonal fracturing mechanism in deep crack-weakened rock masses

The mechanical behaviors of deep crack-weakened rock masses are different from those of shallow crack-weakened rock masses. The surrounding rock in shallow crack-weakened rock mass engineering is classified into loose zone, plastic zone and elastic zone, while the surrounding rock in deep crack-weakened rock mass engineering is classified into fractured zone and non-fractured zone, which occur alternatively. It is assumed that the deep rock masses contain one joint set, in which the probability density function describing the distribution of sizes is assumed to follow the Rayleigh distribution, and the probability density function describing the distribution of spacing is assumed to follow the Weibull distribution. On the basis of strength criterion of deep rock mass, the near-field stress redistribution around circular opening induced by excavation is determined. The strong interaction among cracks is investigated by using the dislocation model. The nucleation, growth, interaction and coalescence of cracks were analyzed based on the strain energy density factor theory. When cracks coalesce, failure of deep crack-weakened rock masses occurs, fractured zone is formed. Then, size and quantity of fractured zone and non-fractured zone are given out. The size and quantity of fractured zone increase with decreasing strength of rock mass. The size and quantity of fractured zone increase with increasing in situ stress. Zonal fracturing phenomenon occurs once value of in situ stress is larger than the unaxial compressive strength of rock masses. The size and quantity of fractured zone decrease with increasing λ when p₂ > p₁. The size and quantity of fractured zone increase with increasing λ when p₂ < p₁.     

考虑锚杆作用的深埋软岩隧道黏弹塑性力学响应解析

深埋软岩隧道围岩表现出显著的塑性软化与剪胀特性,而当下的理论分析很少同时考虑这两点,导致预测结果与隧道实际变形行为存在一定误差.为解决该问题,本文基于Kelvin-Voigt流变模型和Mohr-Coulomb强度准则,考虑了塑性阶段时围岩软化与剪胀特征,并引入了掌子面空间约束效应,建立了深埋软岩隧道黏弹-塑性计算分析模...