动荷载作用下预测玻璃板破坏强度和破坏时间的一种改进模型——Ⅱ.参数确定及验证

对浮法玻璃,确定了文献[1]中修正的单层玻璃板动态裂纹破坏模型的未知参量。先假定了玻璃板中的裂纹长度服从四种分布,将四种分布与不同的裂纹密度和裂纹最大长度组合模拟玻璃的破坏时间,通过与试验的对比得出四种分布对应的最优裂纹密度和最大裂纹长度;运用四种分布及对应的裂纹密度和最大裂纹长度,计算了玻璃板的破坏应力,经过与试验对比确定出裂纹长度分布。用确定参数后的模型预测了玻璃板的破坏应力和破坏时间,并将改进模型的计算结果与试验值和已有模型的计算结果进行了对比分析,对比表明改进模型能较准确地预测破坏应力和破坏时间。最后用确定的参量模拟了爆炸荷载下玻璃板的破坏时间,模拟结果与试验结果吻合较好。     

单层带孔玻璃板孔边破坏应力的力学分析

因为轴对称性,圆盘模型可以减少玻璃材料离散性的影响,所以比较适合进行测量孔边破坏应力的试验。通过对带孔圆盘模型的力学分析和理论推导得到了板内最大主应力分布的表达式,并用该表达式分别拟合有限元计算结果和试验结果,通过比较分析,最终提出了点式玻璃板孔边破坏应力建议限值,为进一步完善幕墙结构的设计提供依据。     

受冲击玻璃破坏波传播过程分析

分析平板冲击压缩下玻璃材料中破坏阵面的传播特性。结合已有实验结果,认为破坏波的传播为因试件表面微裂纹在冲击压缩下启裂、累积并向材料内部渗透过程,具有宏观扩散属性。建立玻璃材料的动态损伤本构关系及以表征材料损伤与破坏的微裂纹浓度N为传播特征的扩散方程,描述破坏波的传播过程。数值模拟冲击压缩下K8玻璃中横向应力历程,并与实验数据进行比较,结果显示两者吻合良好。     

同轴单搭接接头破坏过程研究

在实验所得结果之基础上研究了预偏角对单搭接胶接接头破坏机制的影响,用弹塑性有限元法模型得到了不同裂纹长度时接头整体和胶层中心等效应力沿裂纹尖端的分布,并研究了外载大小、裂纹长度对应力强度因子的影响.结果表明,同轴接头和标准接头的破坏均从胶层界面开始,但同轴接头以形成较多小裂纹为主,而标准接头中裂纹沿着胶层向中部扩展,最终导致破坏;随裂纹长度的增加,接头上等效应力渐增,胶层中心峰值应力也增大,裂纹尖端的应力远高于其他部位;当裂纹扩展到临界尺寸时,接头会迅速破坏.     

基于键基近场动力学理论的单裂纹圆孔板冲击破坏研究

基于键基近场动力学理论,建立分离式霍普金森杆冲击单裂纹圆孔板动力学模型,其中霍普金森杆用一维PD模型、单裂纹圆孔板用二维PD模型描述,采用短程斥力模型描述碰撞过程,模拟冲击压缩条件下单裂纹圆孔板动态破坏行为。通过试样端面受力分析得到端面载荷的V形分布规律,解决了传统实验-数值研究法在端面加载上的局限性。研究不同入射速度下试件裂纹的扩展过程和破坏模式,准确捕获了裂纹起裂、止裂及二次起裂时间。根据键基近场动力学理论下材料动态应力强度因子计算方法,求得裂纹的起裂韧度,为材料动态断裂韧度计算提供了新的途径。     

微晶玻璃板破损分析

激光陀螺仪用微晶玻璃板上通过焊接封接了钛合金管和低碳钢电极,玻璃板在低温试验后发生破损。通过对玻璃板的金属件安装孔边缘断口和裂纹形貌进行观察分析了玻璃板破损的原因。结果表明：微晶玻璃板安装孔周围的玻璃沿钎焊区出现的剥离损伤和金属件与微晶玻璃之间因热膨胀系数差异较大导致的变形不协调所产生的拉应力有直接关系;通过调整封装组件选材来减小热膨胀系数差异,并准确控制试验温度,可以有效预防此类问题。     

玻璃应力检测仪校准方法的探索

提出了一种玻璃应力检测仪的校准方法并给出了相关标准器的设计思路,该标准器是根据玻璃各向异性的物理特性而设计的一种标准应力玻璃板。对标准应力玻璃板相应位置施加标准力值使其产生相应的标准玻璃内应力,再使用玻璃应力检测仪对其进行测量得出玻璃应力值,该测量应力值与玻璃板标准应力值进行对比,从而给出玻璃应力检测仪示值的误差。该校准方法和标准器为玻璃应力检测仪的量值溯源提供了一种可行方案,为玻璃生产中对产品质量控制提供了一定帮助。     

钠钙/铝硅酸盐玻璃疲劳行为研究进展

钠钙硅酸盐玻璃和铝硅酸盐玻璃因高强度和高硬度等优异的物理性能被广泛用于民用和国防军工等领域。疲劳断裂是钠钙/铝硅酸盐玻璃失效的主要形式之一。研究钠钙/铝硅酸盐玻璃的疲劳行为对指导其加工工艺、预测寿命与防止失效具有重要意义。本文综述了硅酸盐玻璃疲劳行为的基本原理、实验方法以及钠钙硅酸盐玻璃和铝硅酸盐玻璃静态疲劳与动态疲劳行为的国内外研究进展,通过对比钠钙硅酸盐玻璃与铝硅酸盐玻璃的疲劳行为发现:钠钙硅酸盐玻璃原片的裂纹萌生门槛值远低于铝硅酸盐原片玻璃的裂纹萌生门槛值,且化学强化钠钙硅酸盐玻璃与铝硅酸盐玻璃的裂纹萌生门槛值均随表面压应力的增大而增大;钠钙硅酸盐玻璃与铝硅酸盐玻璃的裂纹扩展速率均随假想温度的升高而增加,且铝硅酸盐玻璃的裂纹扩展速率随假想温度的变化更大;钠钙硅酸盐原片玻璃与铝硅酸盐原片玻璃的断裂应力均具有加载速率依赖性,而化学强化铝硅酸盐玻璃的动态疲劳断裂应力不具有加载速率依赖性。因此,应力状态和环境因素对化学强化钠钙/铝硅酸盐玻璃静态疲劳与动态疲劳行为的影响将成为未来研究方向。     

动态爆生裂纹相互影响的试验研究

采用以有机玻璃(PMMA)为材料的模型试验方法,分析了试件的破坏形态和裂纹尖端的应力特征,研究了对向切槽炮孔的不同竖向间距对爆生裂纹扩展的影响。结果表明:爆生裂纹扩展过程中,裂纹速度震荡减小,裂纹尖端应力变化经历两个阶段,Ⅰ阶段(0~110μs)裂纹尖端动态应力强度因子迅速减小,试件破坏以拉伸破坏为主;Ⅱ阶段(110μs~止裂)裂纹尖端动态应力强度因子先增大后减小,试件破坏兼有拉伸破坏和剪切破坏。炮孔的竖向间距的不同对爆生裂纹Ⅰ阶段扩展影响不大,对Ⅱ阶段扩展影响显著。对向裂纹起到自由面作用并引导己方裂纹向其发生偏转,从对向裂纹面处反射的应力波加强了己方裂纹尖端的应力集中。     

复合材料飞轮破坏转速的算法和高速旋转破坏实验

分别基于平面应力型全弹性模型和三维数值模型建立了计算复合材料飞轮破坏转速的二维和三维算法。这两个算法均采用了正交各向异性材料的最大拉应力(材料主方向) 准则, 其中三维算法还采用了两种强度判据, 即基于轴向大部分区域每层应力的平均值判据和轴向边界区域每层应力的最大值判据。对张紧力缠绕的3个实验复合材料飞轮成功实施了高速旋转破坏实验, 破坏均发生在径向强度最弱的飞轮与金属芯轴的界面处。实验结果表明, 飞轮的实际破坏转速与理论破坏转速十分接近, 证实本文中建立的二维和三维算法是可靠的;二维算法得到的理论破坏转速偏高, 而飞轮的实际破坏转速落在三维算法分别按最大值判据和平均值判据得到的两个理论破坏转速之间, 说明三维算法的精度更高。      

冲击荷载作用下非贯通节理岩体细观破坏模式研究

地应力作用下节理岩体的动态力学特性及对应力波传播规律的影响对深部地下工程的稳定性有着重要影响,采用颗粒流离散元软件(PFC2D)建立了含非贯通节理岩体的冲击作用数值模型,并通过与室内试验的对比验证了模型的有效性.通过对不同节理倾角、节理长度非贯通节理岩体的冲击压缩仿真试验,分析了岩体的变形特征、破坏模式及应力波传播规律.结果表明:随节理倾角从15°增加至75°,岩石强度呈现先减小后增大的近"V"字型变化规律,节理试件始终处于拉伸主导作用下,并在45°倾角时拉伸作用最为明显;随着节理长度的增大,岩体的初始损伤增大,动态抗压强度减小.15～25 mm"短"节理试件的贯通破坏由反翼裂纹主导,而30～35 mm"长"节理试件是在反翼裂纹和共面裂纹共同作用下断裂破坏.     

冲击载荷作用下平板玻璃穿孔机理

玻璃作为采光材料、广泛应用于建筑物、车船、家具等，但玻璃是典型的脆性材料，极易破坏。在冲击载荷作用下，玻璃板破坏形式常常与动载荷的作用类型有直接关系，可分为简单破碎、混合破碎和穿孔。本文利用弹击实验在附有PVC复合材料背板的玻璃面板成孔，记录在冲击载荷作用下玻璃面板的穿孔情况，利用Hertz理论，给出了冲击载荷作用下玻璃面板中的应力分布，分析了玻璃破碎锥角的形成机理；给出了在同等实验条件下，不同厚度玻璃／PVC板构成的层合靶板，玻璃面板厚度与破碎锥角的关系。     

加载速率对混凝土拉伸破坏行为影响观数值分析

探讨了加载速率及细观结构非均质性对混凝土破坏模式及宏观力学性能的影响。考虑到混凝土细观结构非均质性的影响,将混凝土看作由骨料和砂浆基质组成的两相复合材料。考虑材料的应变率效应,采用塑性损伤模型来描述砂浆基质的动态力学行为;由于骨料具有较高强度,假定不会产生断裂,设定为弹性体。对单边缺口的混凝土试件及L形试件在不同加载速率下的动态拉伸破坏模式进行了细观数值研究。数值结果表明:1) 混凝土动态破坏模式及裂纹扩展方向具有明显的加载速率相关性;2) 随着加载速率的提高,混凝土破坏模式从I-型模式到混合型模式转变;3) 混凝土细观结构越复杂,组分间相互作用越复杂,裂纹扩展路径越复杂,裂纹分支现象越为明显;4) 随着加载速率的提高,混凝土破坏时产生更多的裂纹扩展路径(分支裂纹),且损伤区域宽度增大,导致混凝土在高应变率作用下消耗更多的能量,可认为是混凝土材料动态强度提高的主要原因。     

钢筋混凝土框架结构破坏性能的离散单元法模拟

离散单元法是模拟结构破坏的一种有效的分析方法。通过引入节点单元和考虑混凝土的非线性对矩形离散单元模型进行了改进,并给出了改进后离散单元模型的破坏准则和基本方程以及弹簧系数等计算参数的确定;改进后的模型采用了双链表技术,提高了模型的计算效率。对在爆炸荷载作用下的钢筋混凝土框架结构的倒塌破坏过程进行了模拟,结果表明:采用改进后的离散单元法可以有效地模拟钢筋混凝土框架结构的倒塌破坏过程。     

四点支承单层开孔玻璃承载性能的有限差分法分析

基于小挠度薄板的近似理论,采用有限差分法分析了4 点支承带孔玻璃板位移和应力的分布规律,并通过对点支承处进行特殊处理,建立了奇点模型,同时提供了孔边应力的计算公式。该计算模型描绘了点支玻璃板中应力分布的特点,直观、理论性强且操作简便,且计算结果与现行规程、有限元计算的结果较好的吻合。孔边应力的计算方法可为规程的补充提供必要理论依据。     

混凝土材料的动态压缩破坏机理及本构关系

为研究混凝土材料的动态性能,利用直径φ100 mm的SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)装置对骨料尺寸为15 mm～20 mm的混凝土材料试样进行了应变率范围30s(-1)～180s(-1)的动态压缩试验,并借助高速摄影装置获得了试样的变形与破坏过程,结果表明:在动态压缩强度附近应力区,材料表面先出现一条沿试样轴向的可见宏观裂纹,而多条主裂纹的形成与扩展才导致材料的最终破坏;建立了改进的ZWT模型,模型预测结果与试验结果较吻合.     

考虑材料组成特性的混凝土轴拉破坏过程细观数值模拟

为反映骨料、砂浆及其之间的界面过渡区的组合特点和材料性能,基于材料细观非均匀性和有限元方法的混凝土破坏过程细观数值模拟需进行复杂、细致的网格剖分,导致了繁重的前处理工作和可观的计算量。该文对混凝土材料细观单元材质组成的单一化假定进行改进,将内嵌界面过渡区材料的规则化单元视为一种广义复合材料单元,建立了复合型界面损伤模型。采用等效方法确定单元的复合弹性关系,通过有限元法计算单元的局部应力;用细观层次上弹性力学性能的弱化描述单元组成材料的损伤,混凝土材料的破坏过程通过单元各组分的损伤模拟。应用该复合型界面损伤模型研究了混凝土试件的单轴拉伸破坏过程,细观数值模拟结果符合混凝土试件的宏观破坏特征,表明该模型可作为分析混凝土材料破坏过程的一种有效途径。     

高应变率加载下玻璃板碎片尺寸的理论模型

基于材料损伤理论和损伤断裂机理,分析了普通平板玻璃在高应变率下的损伤破碎规律。根据玻璃碎片破坏损伤应变能和断裂表面能之间的平衡关系,推导了不同应变率下预测玻璃碎片大小的计算公式。该模型能够直接、定量地给出玻璃板中由于裂缝间的贯通形成的平均碎片大小,同时能够求出玻璃碎片的数量。对于该模型,讨论了玻璃板尺寸及临界应变等因素对玻璃碎片大小的影响。     

飞机结构动态裂纹失稳扩展破坏控制要求

对飞机结构动态裂纹失稳扩展破坏控制的基本原理，破坏控制部位，裂纹失稳扩展的抑制，残存结构的剩余强度，止裂措施的设计与验证要求，以及疲劳裂纹扩展破坏控制计划等作了论述。新一代飞机结构若能实现止裂控制，将会大大减少发生灾难性疲劳破坏的概率。     

增强硬质聚氨酯泡沫塑料的压缩破坏行为

研究了玻纤、玻璃微珠增强材料增强的硬质聚氨酯泡沫塑料在静态压缩下泡孔结构的变化．实验结果表明，两种增强材料其压缩强度和模量都有不同程度的提高，但是其破坏方式则完全不同：玻纤增强的泡沫塑料的破坏方式为泡孔的塌陷和纤维的脱粘，而玻璃微珠增强的泡沫塑料的破坏方式为泡孔结构的破碎和玻璃微珠从基体脱粘或破碎。