基于能量原理的岩样单轴压缩剪切破坏失稳判据

利用能量原理对倾斜的剪切带-带外弹性岩石构成的系统的稳定性进行了研究。单轴压缩岩样沿轴向的变形被分解为两部分,带外弹性岩石压缩引起的变形和剪切带错动引起的变形。后者与剪切带的相对剪切变形具有简单的几何关系。系统的总势能由剪切带的弹性及耗散势能和带外弹性岩石对剪切带所作的外力功构成。剪切带的弹性及耗散势能与剪切带的体积有关系。剪切带的尺寸由梯度塑性理论确定。将系统的总势能对相对剪切变形求一阶导数(等于零),得到了弹性岩石的平衡条件。将总势能对相对剪切变形求二阶导数(小于零),得到了系统的失稳判据。它综合反映了岩石材料弹性及应变软化阶段本构参数(弹性模量及软化模量)、剪切带之外弹性岩石的尺寸、剪切带的尺寸及系统的结构形式(剪切带倾角)对系统稳定性的影响。失稳判据比以往所得到的失稳判据更严格,更精确,更具有广泛意义。     

考虑应变梯度效应的三点弯梁模型解析研究--第一部分:局部化带的传播

为分析应变软化和由此带来的应变局部化问题,将梯度塑性理论引入裂纹带模型。以拉应变局部化区域代替裂纹带,在三点弯梁裂纹带(具有一定尺寸的带宽由特征长度确定)内部存在着不均匀分布的拉应变,这与实验结果相符。对拉应变进行积分,得到了拉应变局部化区域的张拉位移的理论表达式,结果表明:该位移与拉应力成线性规律,拉应变局部化区域的宽度越大,弹性模量越小或降模量越小,则该位移越大。此外,采用应力平衡条件、应变软化的本构关系及平截面假定,还得到了拉应变局部化区域的扩展规律,结果表明:下降模量越大、三点弯梁高度越小及弹性模量越小,则在相同的拉应力的情况下,拉应变局部化区扩展的长度越小;抗拉强度对拉应变局部化区扩展长度的最大值没有影响。此外,还研究了梁中部横截面内中性轴到具有最大承载能力的点的距离的变化规律。     

考虑应变梯度及刚度劣化的剪切带局部变形分析

基于梯度塑性理论,研究了应变软化阶段的刚度劣化对剪切带内部的局部应变及相对剪切位移的影响。剪切带被看作一维剪切问题,本构关系为线弹性及线性应变软化。考虑刚度劣化后,剪切带的弹性应变由弹性剪切模量、损伤变量及残余剪切模量确定。剪切带的非局部总应变由双线性的本构关系确定。将非局部总应变减去弹性应变,可得剪切带的非局部塑性应变。剪切带非局部塑性应变与流动应力及损伤变量等参数有关,此关系即为在经典弹塑性理论框架之内的考虑刚度劣化的屈服函数。将二阶应变梯度项引入该函数,可得剪切带内部的局部塑性剪切应变及局部总剪切应变的分布规律。对局部塑性剪切应变积分,得到了局部塑性剪切位移。结果表明:考虑了刚度劣化后,剪切带内部的弹性剪切应变及位移增加,而局部塑性剪切应变及位移降低。若不考虑刚度劣化,理论结果可蜕化为以前的结果。理论结果与岩石局部变形的观测结果在定性是一致的。     

岩样单轴压缩峰后泊松比理论研究

研究了单轴压缩岩样应变软化阶段侧向应变与轴向应变的比值(峰后泊松比)的变化规律。岩样的塑性变形假设根源于塑性应变局部化。岩样的轴向及侧向变形被分别分为两部分:弹性变形(由虎克定律描述)及由局部化引起的塑性变形(由梯度塑性理论及几何关系确定)。应变软化阶段的轴向应变-侧向应变曲线、轴向应力-轴向应变曲线及轴向应力-侧向应变曲线都得到了实验验证。在峰值强度时,峰后泊松比等于峰前泊松比。当压缩应力降至零时,峰后泊松比达到临界值。该临界值可能比峰前泊松比大,也可能比它小。峰后泊松比还和试件尺寸有关,这与峰前泊松不同。峰后泊松比与轴向压应力之间的关系可能是一条直线,也可能是上凸的,或上凹的。这取决于岩石的本构参数(弹性模量、剪切及软化模量、剪切带宽度及峰前泊松比)、试件的结构尺寸(试件宽度及高度)及剪切带倾角之间的关系。     

乙烯基酯树脂浇铸体的高应变率压缩响应行为

利用电子万能试验机和分离式Hopkinson 压杆研究了乙烯基酯树脂浇铸体在准静态和高应变率下的压缩特性, 考察了试样压缩失稳和破坏的形貌。结果表明: 在准静态加载下(应变率为3.3 ×10 -4 / s～6.6 ×10-3 / s) ,材料呈韧性破坏, 失稳应力、失稳应变能密度均随应变率的提高而提高, 失稳应变随应变率的提高而降低; 在高应变率下(应变率为950/ s～5800/ s) , 材料呈脆性破坏, 失稳应力、失稳应变能密度均随应变率的提高呈增加趋势, 而失稳应变也随应变率的提高而提高, 这与准静态不同, 表明在高应变率下, 材料发生了“强迫高弹形变”。观察试样失稳和破坏后的形貌可以发现, 试样的破坏在失稳前正应力起主导作用, 失稳后切应力起主导作用, 使试样产生裂纹进而造成宏观破坏; 乙烯基酯树脂内部损伤的演化, 也依赖于应变和应变率。      

考虑应变梯度效应的三点弯梁模型解析研究--第二部分:局部化带的位移及转角

基于梯度塑性理论,分析了应变软化及真实裂纹扩展阶段的局部化带的张拉位移和转角。在弹性阶段,可以由弹性理论来确定二者的关系。真实裂纹出现后,利用平衡条件、几何条件及梯度以来的应变软化本构关系,得到了真实裂纹长度与局部化带长度的关系。当真实裂纹刚出现时,局部化带长度达到最大值。在任何阶段,局部化带到中性轴的距离单调降低,局部化带的张拉位移和转角受梁深、带宽、弹模及下降模量等的影响。弹模及下降模量越大,带宽越小,则局部化带的张拉位移和转角都增加。而且,在前两个阶段,张拉位移都线性增加,但在后两个阶段,转角都非线性增加。     

5CrMnMo应变率和温度相关力学性能实验研究

在较大的温度(25℃-537℃)和应变率(10-4s-1-10-2s-1)范围内对5CrMnMo进行了拉伸实验,获得了相应的应力应变曲线.试验结果表明在室温和试验的应变率范围内(10-4s-1-10-2s-1),5CrMnMo的力学性能是应变率无关的.随着温度的升高,出现了模量E、屈服强度σs和抗拉强度σb的应变率强化效应和温度弱化效应;还出现了加工硬化倾向减小的机制和蠕变效应增大机制,且温度越高这两种机制越强,应变率越高这两种机制越弱.在这两种机制作用下,温度越高失稳应变εb越小,断后伸长率δ50越大;但应变率越高δ50越小.当试验温度较高且应变率较低时,伴随有马氏体板条向拉伸方向偏转的细观特征.     

中应变率加载下云杉各向异性力学行为研究

采用高速加载INSTRON设备对云杉开展100 s-1~102 s-1中应变率压缩实验,研究了材料沿顺纹、横纹径向、弦向、以及径(弦)切面内与顺纹呈15°、30°、45°、60°和75°夹角方向的力学性能。实验表明随着加载方向由顺纹向横纹径(弦)向变化,材料屈服强度逐渐减小,应力-应变曲线塑性流动段由"塑性软化"向"塑性硬化"转变;试件沿不同方向压缩屈服强度表现出较强应变率敏感性。冲击压缩下云杉宏观破坏模式与加载方向相关,沿顺纹方向加载时,试件中部向外膨胀,产生褶皱、纤维屈曲折断;当载荷方向与顺纹夹角逐渐增大时,材料失效模式体现为木材纤维分层滑移、撕裂。采用简化Hill强度理论对中低应变率下云杉空间屈服行为进行了理论描述,不同应变率下云杉空间屈服面为椭圆柱曲面,屈服曲面半径长度随应变率提高而增加。实验与理论分析表明,云杉沿空间不同方向具有各向异性力学特性,屈服强度受应变率和加载方向影响较大,而破坏模式则主要依赖于载荷方向。     

中低应变率下闭孔泡沫铝动态力学性能研究

为探索闭孔泡沫铝的动态力学性能与吸能特性,基于万能材料试验机和高速液压伺服材料试验机在常温下分别对闭孔泡沫铝在准静态和中应变率下(0.001~100s^-1)的动态力学性能进行了测试,分析了不同应变率、不同相对密度和不同泡沫铝基体特性下闭孔泡沫铝的应力应变曲线特征和吸能特性变化。研究结果表明:中低应变率下的纯铝基体泡沫铝并不具备应变率效应,高脆性、相对密度较小的泡沫铝具备更好的吸能特性,塑性和脆性基体泡沫铝变形带分别呈现“V”形和“X”形,脆性基体泡沫铝同样不具备应变率效应。     

较大塑性变形下纳晶镍剪切带的演化模型

较大塑性变形下,采用TEM原位拉伸实验揭示了纳晶镍内剪切带演化的微观机制,优化了微观力学模型。结果表明:在纳米尺度范围内,随着晶粒尺寸的增加,应变软化的趋势越来越明显,剪切带宽度也随着增加;晶粒尺寸降低将导致纳晶材料中剪切带的产生提前;内部特征长度的值随着晶粒尺寸的增加呈现先增加后下降的特点;剪切带内的塑性应变分布为:在剪切带两个边界处应变为零,在剪切带中央剪切塑性应变达到最大值。     

红砂岩剪切储能与最大剪应变特征试验研究

为了明确干燥和饱水红砂岩剪切强度、剪切储能与剪应变特征,在岩石剪切试验系统进行了不同法向应力作用下干燥和饱水红砂岩剪切试验,详细分析了法向应力和饱水作用对红砂岩剪切强度、剪切应变能密度和剪应变的影响规律。结果表明：剪力-剪切位移曲线,干燥状态线性段明显,饱水状态屈服段明显,法向应力在10 MPa～20 MPa,剪切强度和剪切位移增加显著,法向应力在20 MPa～40 MPa切向位移变化很小;压剪应力状态下的粘聚力和内摩擦角明显低于三轴压缩应力状态下的粘聚力和内摩擦角,饱水使三轴应力路径下的粘聚力和内摩擦角都弱化,而压剪应力路径下只对内摩擦角弱化。法向应力小于20 MPa时,剪切强度劣化率随法向应力的增加线性增大,法向应力在20 MPa～40 MPa时,剪切强度劣化率在一定值上下波动。峰值剪切应变能密度与法向应力之间存在良好线性变化规律,随法向应力增大,饱水对峰值剪切应变能密度的影响增加。干燥和饱水红砂岩峰值剪切应变能密度分别趋于定值1.4579 MJ/m3和1.0033 MJ/m3,饱水使峰值剪切应变能密度的劣化率趋于31.18%。根据峰值剪应变随法向应力的变化规律,构建了干燥和饱水红...     

Adiabatic Shear in annealed and shock-hardened iron and in quenched and tempered 4340 steel

Adiabatic shear localization is a catastrophic failure mechanism which can occur in ductile metals under high strain rate loading. This mechanism is driven by a thermal instability process in which rapid temperature rise due to plastic work couples with thermal softening to cause uniform deformation to collapse into narrow bands of intense shear within which material ductility is exhausted. Adiabatic shear localization is studied in three ferrous metals: annealed Armco and as-received Remco iron, both of which are high purity alpha iron; shock-hardened Remco iron; and 4340 steel quenched and tempered to a range of hardness levels. Using a compressive split-Hopkinson bar, punching-shear experiments were performed at room and elevated initial temperatures at shear strain rates of up to 45000 s^–1. Optical and scanning electron microscopy was performed on the deformed shear specimens to determine the extent of shear localization and mode of failure. Experimental evidence showed that the tempered 4340 steels were susceptible to localization through adiabatic shear banding; however, as-received and shock-hardened Remco iron and annealed Armco iron were not. Finite element simulations of the experiments were performed utilizing a user material subroutine developed as part of this research. This constitutive routine incorporates two adiabatic shear failure criteria, namely (i) maximum shear stress with a minimum critical shear strain rate and (ii) flow localization. These criteria proved to be capable of predicting the onset of an instability; however, the deformation which follows the instability was not predicted well.     

涂敷和护套对分布式光纤应变检测的影响研究

光纤的涂敷层和护套采用的材料不同于纤芯材料,其在起到保护光纤的同时,也会对光纤的传感性造成一定的影响。为能准确测量结构的应变,从细观力学的角度建立了铺设在结构中的具有二层保护介质的分布式光纤传感器的理论模型,分析了涂敷层、护套的剪切模量和半径对分布式光纤应变检测结果的影响,比较了不同铺设长度下光纤的传感规律,提出了降低保护介质对光纤应变传感影响的方法。     

一种新的用于各向同性损伤模型的四参数等效应变

基于Hsieh-Ting-Chen强度破坏准则的思想,提出由于求解混凝土各向同性损伤模量的等效应变。首先通过混凝土试件材料特性以及强度试验资料来确定四参数,然后求解出由多轴应力状态下的应变退化得到的等效应变以及相应的损伤模量。对一混凝土立方体试件进行有限元分析,计算结果表明:采用该等效应变计算所得的应力应变曲线与试验曲线吻合性较好,从而说明了该等效应变的合理性,并且可说明利用该等效应变的损伤模型不但可以描述单轴应力状态下混凝土破坏的全过程曲线,而且能描述多轴应力状态下混凝土破坏的全过程曲线。该等效应变形式单一,计算简单。     

A PATH-INDEPENDENT PARAMETER FOR FATIGUE UNDER PROPORTIONAL AND NON-PROPORTIONAL LOADING

Abstract— A path-independent multiaxial fatigue damage criterion is proposed based on critical plane concepts: fatigue crack growth is controlled by the maximum shear strain, and an important secondary effect is due to the normal strain excursion over one reversal of the maximum shear strain. The effect of loading path on fatigue endurance is quantified by the normal strain excursion. Only one multiaxial material constant is required in the model which can be determined from uniaxial test data plus one torsional result. The parameter can be easily integrated with a shear strain-life relationship to predict low cycle fatigue lifetime. Experimental data of four different materials: En15R steel, 1% Cr-Mo-V steel, 304 stainless steel, and 316 stainless steel at two temperatures were used to verify the criterion. It is shown that the proposed parameter can satisfactorily correlate test results for various proportional and non-proportional straining paths.     

单向纤维增强陶瓷基复合材料单轴拉伸行为

采用细观力学方法对单向纤维增强陶瓷基复合材料的单轴拉伸应力-应变行为进行了研究。采用Budiansky-Hutchinson-Evans（BHE）剪滞模型分析了复合材料出现损伤时的细观应力场,结合临界基体应变能准则、应变能释放率准则以及Curtin统计模型三种单一失效模型分别描述陶瓷基复合材料基体开裂、界面脱粘以及纤维失效三种损伤机制,确定了基体裂纹间隔、界面脱粘长度和纤维失效体积分数。将剪滞模型与3种单一失效模型相结合,对各个损伤阶段的应力-应变曲线进行模拟,建立了准确的复合材料强韧性预测模型,并讨论了界面参数和纤维韦布尔模量对复合材料损伤以及应力-应变曲线的影响。与室温下陶瓷基复合材料单轴拉伸试验数据进行了对比,各个损伤阶段的应力-应变、失效强度及应变与试验数据吻合较好。