分类： 材料科学 >> 复合材料 分类： 力学 >> 固体力学 分类： 航空、航天科学技术 >> 飞行器制造技术 提交时间： 2024-04-09
摘要： 单向纤维增强塑料（UD-FRP）的力学性能受到内部微缺陷的影响，如随机纤维排列、纤维错位和微空隙。本研究旨在通过计算微观力学研究这些多个微观缺陷如何相互作用，以及它们如何影响UD-FRP的强度和失效机制。通过对具有代表性的体积单元进行有限元分析，模拟了失效行为；对于不同的载荷及其组合，考虑了基体和界面的破坏。研究发现，这些微观缺陷显著削弱了UD-FRP沿纵向的抗压强度。特别是纤维波纹度放大了纤维排列的影响，而微空隙则减小了这种影响。此外，纤维排列和微空隙显著削弱了UD-FRP的横向拉伸和压缩强度。此外，横向和纵向剪切强度受微孔隙的显著影响，但只有纵向剪切受纤维排列的影响，这种影响也因微孔隙而减弱。最后，得到了纵向压缩和横向荷载共同作用下的损伤包络线，并与Tsai Wu失效准则进行了比较。结果表明，Tsai Wu准则可以有效地估计这种双轴加载条件下的失效包络线。
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2024-02-07 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 除尘器箱体立柱主要的破坏方式是丧失稳定性。为提高其承载能力,优化除尘装备结构设计,研究箱体立柱稳定性增强构造方法。采用非线性有限元方法,针对除尘器箱体加劲钢墙板H型钢立柱结构体系,考虑初始缺陷影响,研究箱体立柱失稳机理。受墙板蒙皮作用,立柱呈现为前翼缘与腹板组成前半部分截面整体弯扭与腹板局部鼓曲相伴发生的相关失稳,且失稳发生在邻近柱顶的高压应力区域。针对失稳特征提出立柱稳定性增强构造措施,即在顶部区域立柱前翼缘两侧加焊加固钢板,加固钢板上、下边界与L形横隔板焊接连接。考察了加固钢板宽度、厚度,L形横隔板厚度以及加固钢板布置范围等因素对于立柱稳定承载力的影响,在此基础上提出了立柱稳定性增强构造的合理设计方法。采取该稳定性增强构造措施后,立柱稳定承载力得以明显提高。
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2024-02-07 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 坝体内部渗流方向通常因渗流部位的不同以及上下游水位的波动而产生变化,渗透水流在被保护土与反滤层之间的接触面上的入渗角并非正交。由于筑坝土料和反滤层两者的渗透系数差异较大,渗流入渗角引起接触面水力性状发生变化,进而会影响反滤层的反滤性能。利用PFC-3D软件分别建立渗流方向与接触面呈30、45、60和90夹角的数值模型,通过模拟计算被保护土颗粒的实时侵入率及其移动进入反滤层的深度,研究了不同方向渗流作用下的接触侵蚀与反滤效果。结果表明:渗流初始阶段,不同渗流方向下被保护土颗粒的侵入率、侵入深度差距较小; 随着渗流时长的增加,呈90夹角时的侵入率比较稳定且数值较小,侵入深度和接触面处的渗流速度最小,反滤层阻挡被保护土颗粒移动的能力较强; 60、45和30夹角时的滤土效果依次减弱,说明渗流方向与接触面的夹角越大,反滤效果越好; 利用渗流折射原理讨论了计算结果的合理性,并与有关文献的试验结果进行了对比分析,认为在堤坝等水利工程中应重视填土与反滤层之间接触面的渗流入渗角的变化,尤其是界面上小角度入渗水流对反滤效果影响较大。
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2024-02-07 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 集输小口径管道在油气田分布广泛,但使用传统腐蚀检测方法难度大、费用高且必须开挖取样点后才能定量评价腐蚀程度。为了弥补这种不足,实现非开挖条件下进行定量评价:分析磁偶极子模型得到腐蚀缺陷附近产生的漏磁场的磁信号特点; 通过有限元仿真模拟,得到了腐蚀缺陷深度及宽度与磁信号间的关系; 将SY/T 61512009《钢制管道管体腐蚀损伤评价方法》中对腐蚀评价所需的缺陷宽度和深度参数,结合磁偶极子模型理论推导计算与磁信号特征参数的关系,得到了一种可应用于非开挖条件下的管道腐蚀弱磁检测定量评价方法,并在某油田管道进行了工程验证,为非开挖条件下管道腐蚀检测定量评价提供一定的理论依据。
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2024-02-07 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 非对称荷载作用下,内撑式基坑会向荷载小侧整体偏移,这将不利于基坑的稳定,因此有必要对支护结构进行设计优化。本研究以某偏压综合管廊基坑为例,通过有限元软件PLAXIS 2D对该基坑进行了仿真模拟,模拟结果与实测数据吻合良好,验证了模型的有效性。进一步对该基坑进行参数分析,研究了支护结构长度、等效厚度和弹性模量对支护结构变形和基坑安全性的影响。研究结果表明,在两侧支护结构均按偏压侧进行设计的基础上,增大某侧支护结构长度,会使该侧支护结构水平位移最大值增大,分别增大两侧支护结构等效厚度、弹性模量,均可以减小该侧支护结构水平位移最大值和非偏压侧支护结构顶部逆向位移。基于参数分析,提出一种针对非对称荷载基坑的简单有效、经济可行的优化思路,并通过数值模拟对优化效果进行了分析,证明了该优化思路的可行性。
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2024-02-07 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 基于圆钢管型钢再生混凝土组合柱低周反复荷载试验研究,采用OpenSees软件对该组合柱进行了滞回性能数值分析,获取了组合柱的滞回曲线及抗震性能指标,并与试验结果进行了比较,验证了组合柱数值模型的合理性。在此基础上,对组合柱的滞回性能开展了参数影响分析。结果表明:再生骨料取代率从0增大到100%,组合柱的峰值荷载下降了7.78%,延性略有降低; 提高再生混凝土强度、型钢强度及圆钢管强度,对于提升组合柱的承载力及刚度是有利的,但却使组合柱的脆性增大; 随着轴压比的增大,组合柱的承载力呈现先上升后下降的趋势,而延性逐渐变差; 型钢配钢率从5.54%增至9.99%,组合柱的峰值荷载提高了24.34%,但对于改善组合柱的延性不明显; 增大钢管壁厚对组合柱的承载力和延性均是有利的。
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2024-02-07 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 软电介质薄膜因模量低、可大变形、适应性强等特点,被广泛应用于电气和电子系统中。但由于材料的介电常数较低,通常需要在较高的电场环境下服役。在高电场环境下,软电介质薄膜易产生失稳和电击穿破坏,影响着材料的应用范围和稳定性。本研究针对电极对软电介质薄膜有无约束两种情况对此类器件的稳定性展开了研究:首先定量描述了电极对电介质无约束时,电压加卸载过程中失稳形貌的演化规律; 其次讨论了例如氯化锂水凝胶等软电极对薄膜力电失稳的抑制,并利用化学黏接的方式增强水凝胶电极对电介质薄膜的约束,提升了电介质薄膜的临界击穿场强。
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2024-02-07 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 与浅埋洞室相比,随着埋深增加而产生的高地应力现象使深埋洞室安全性评价更加复杂。本研究在考虑地应力平衡的前提下,采用有限元与无限元相结合的方法,对冲击荷载作用下深埋洞室的锚杆支护方式进行了设计与优化。计算结果表明:在平衡初始地应力之后,Mises应力会随着锚杆长度、疏密程度的增加略有增长。当锚杆长度和疏密程度增至某一特定值时,洞室洞壁的位移和塑性应变将达到最小值,洞室围岩将达到相对安全状态。锚杆间隔布置下,长锚杆数量的增加将提高洞室围岩的安全性。当对洞室拱脚进行重点支护时,整个洞壁的位移均有所减小。
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2024-02-07 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 刀盘作为硬岩掘进机(tunnel boring machine,TBM)工作过程中的核心受力载体,承受多方向的随机载荷,容易萌生裂纹导致疲劳失效,影响施工进度和安全,因此研究其裂纹疲劳可靠性具有重要意义。本研究通过受力分析得到刀盘易萌生裂纹区域及应力特征,并使用子模型技术法计算刀盘裂纹应力强度因子,研究刀盘裂纹损伤特性; 然后结合裂纹疲劳理论,构建了以裂纹扩展寿命为基本变量的TBM刀盘裂纹疲劳可靠性评估模型,应用JC法求解刀盘在不同工作环境下的可靠度,并讨论了不同因素对刀盘可靠度的影响。研究表明:裂纹尖端最深处的裂纹扩展以张开型和撕开型为主,而裂纹两端3种扩展形式都存在; 刀盘的裂纹疲劳可靠度随着初始裂纹深度的增大而显著减小,随着裂纹形状比的增大而增大,而临界裂纹深度的变化对可靠度的影响不明显。
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2023-12-18 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 悬链线理论在大跨度的空间柔性管线设计等领域应用日益广泛,但在应用中主要考虑面内竖向力或水平力的工况,利用悬链线理论来直接求解面外问题的研究仍不完善。针对这一问题,本研究从二维悬链线理论出发,建立了面外法向集中力作用在水平悬链线任意位置处的非线性方程组,并得到了面外法向集中力作用在悬链线中点处的解析解。采用二分法和Newton-Raphson迭代法分别对解析解和非线性方程组进行求解。利用柔索试验装置、有限元计算对本研究计算结果进行验证。结果表明,试验、有限元计算得到的构形与特征张力和理论计算的构形与特征张力吻合较好,理论研究成果可以解决柔性管线在竖向分布力和面外法向集中力共同作用下的初始构形找形与特征张力计算问题。
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2023-12-18 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 为研究损伤阈值对存在天然缺陷软岩损伤力学特性的影响,基于损伤阈值理论,结合修正的Lade-Duncan强度准则与弹性胡克定律,推导出软岩损伤阈值表达式,利用Weibull分布理论及Lemaitre应变等价理论构建软岩统计损伤本构模型,同时结合三轴压缩试验对其开展验证。研究结果表明:基于修正的Lade-Duncan强度准则与弹性胡克定律求解出的软岩损伤阈值过于保守,同时天然缺陷对岩石的轴向应变影响较大; 以岩石中天然缺陷为修正变量,对损伤阈值进行修正后,软岩的损伤变化规律、破坏过程描述及应力-应变演化更贴合实际,验证了本研究软岩损伤本构模型的科学性、合理性。
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2023-12-18 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 为了拓展深基坑失稳破坏前非极限主动土压力计算的适用范围,依据深基坑失稳破坏前的土体状态转变效应即黏性土类流体特征和墙背扰动域区划分,借助土的流变模型和流体运动动量方程推导出一种考虑时间和位移的非极限主动土压力计算方法; 利用COMSOL Multiphysics仿真软件对计算方程进行求解,计算得到深基坑失稳破坏变前关于时间和位移的主动土压力数值。通过与试验实测值和已有文献计算值对比,结果表明,基于基坑失稳破坏前土体状态转变效应的非极限主动土压力计算结果与试验实测值更加接近,误差在3%以内,具有更高的精度; 通过对计算模型中的流变参数进行分析,得出土的瞬时弹性模量、黏弹性模量和黏滞系数对非极限主动土压力的影响规律,其中黏滞系数影响最为显著,分析结果对于指导深基坑失稳破坏的防治具有工程指导意义。
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2023-12-18 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 回填场地是短期内重构形成的,与自然场地相比,回填材料等因素对其结构内力影响显著。为了保证高填减载明洞在使用过程中的长期安全性,需要对其进行时效性研究。基于有限差分软件FLAC3D,建立高填减载明洞模型,分析施工完成后,上方土体内部土拱形态发展和结构响应时效性。结果表明:当上方回填土体后期蠕变性能明显时,随着时间流逝,土体内部的土拱会逐渐退化至消失,结构响应也会发生较大变动,而且前期的变化速率较大,中期会逐渐变小,后期将变为零; 回填高度和回填材料对高填减载明洞各方面的时效性有较大影响,增加回填高度,土拱形态和结构响应有显著变化,但回填高度的改变并不会影响两者随时间的整体变化趋势; 若材料的蠕变性能较弱,随着时间推移,土拱形态会更加明显,而结构响应变化较小。该研究成果可对该类结构的设计及工后安全监测提供参考。
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2023-12-18 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 为探究管幕预筑结构受力机理,对双钢板混凝土偏压构件受力性能进行研究。完成了4根双钢板-混凝土组合构件的偏压试验,建立有限元模型,通过计算结果与试验结果的对比,验证了模型的正确性和可靠性。以端部约束形式、界面连接形式、偏心距为参数进行数值分析,结果表明:钢板混凝土偏压构件中,当端部约束足够强(看作刚臂)时,混凝土与两侧钢板共同参与受力,截面应变基本符合平截面假定,不存在界面滑移,在不考虑屈曲的前提下,连接件的设置对构件承载力没有影响,承载力最高; 当端部约束不够强,外荷载不能同时作用在混凝土和两侧钢板上时,在钢板与混凝土间设置连接件可提高构件的承载力,钢板与混凝土界面设置为合并重合结点时,构件承载能力最高。
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2023-12-18 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 针对岩溶区穿越溶洞桩基承载机理及破坏模式相关问题,开展了穿越溶洞桩基极限承载力及破坏模式室内模型试验,揭示了桩基极限承载力随溶洞高度变化的规律,并将不同高度溶洞下桩基和溶洞顶板的破坏模式进行了分类。根据试验结果给出了穿越不同洞高溶洞桩基的桩身稳定系数。最后对穿越不同洞高溶洞桩基极限状态下端阻分担比及穿越洞高为10d时桩基承载过程中侧阻及端阻分担比的变化曲线进行了分析,结果表明:1)溶洞顶板抗弯能力不足时,若桩-岩界面侧摩阻力较大,且顶板与周围岩体整体性好时发生固支板受弯破坏,整体性差时发生简支板受弯破坏,桩-岩界面侧摩阻力小时,发生剪切破坏或剪切与冲切的组合破坏。2)穿越溶洞桩基发生屈曲的最小洞高为6d,穿越小洞高溶洞桩基在单轴抗压强度小于桩端及桩侧极限阻力时发生桩身材料受压破坏,反之发生桩端基岩破坏。穿越大洞高溶洞桩基在屈曲失稳承载力小于桩端及桩侧极限阻力时发生桩身屈曲失稳破坏,反之发生桩端基岩破坏,且随着洞高增加,桩基屈曲失稳承载力大致呈线性降低。3)穿越溶洞桩基极限承载力取决于桩身材料强度、溶洞高度、桩周岩体强度等多种因素,桩身材料受压破坏、桩基屈曲破坏、桩端基岩破坏3者极限承载力中的最小值即为穿越溶洞桩基极限承载力。4)极限状态下,穿越溶洞桩基端阻分担比随洞高增大而减小,但减小幅度较小; 穿越溶洞桩基桩顶荷载越大,端阻分担比越大,侧阻分担比越小。
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2023-12-18 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 对微波作用后的砂岩试样开展了波速测试和单轴压缩试验,并结合差热分析和扫描电镜试验探讨了微波加热对砂岩物理力学性质的影响机制。试验表明:在微波作用下试样温度迅速升高,且功率越大,升温速率越大; 微波作用后,试样纵波波速随着微波加热功率、时间的增大迅速降低; 随着微波功率的增加,试样的单轴抗压强度和弹性模量先增大后减小; 随着加热时间的增加,试样的单轴抗压强度先增加后减小,弹性模量则都降低。微波加热导致砂岩内部产生了不同程度的结构变化,表现为黏土矿物的失水收缩裂纹、沿颗粒边界裂纹、颗粒内部裂纹等。低功率、短时间加热时,微波加热对砂岩的强度有增强作用; 高功率且长时间微波加热条件下,砂岩试样温度较高并产生明显损伤,使得强度降低。
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2023-12-18 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 提出了一种基于退磁场理论的磁芯探头涡流检测信号简化数值模拟方法,基于已有FEM-BEM涡流检测数值方法开发了计算程序,通过与商用软件比较验证了其有效性。首先,分析了磁芯磁化过程中内部退磁场的特点,提出了磁芯退磁场和磁化场的计算方法; 其次,提出了磁芯线圈激励磁场计算方法,考虑了激励线圈传导电流和磁芯等效磁流,利用磁流环电流模型和毕奥萨法尔定律进行激励磁场计算; 最后,采用和激励磁场计算类似的思路进行了检测信号分析,即用感生涡流二次磁场替代激励线圈磁场来计算检测线圈磁芯的退磁场和磁化场,并基于磁芯内部磁通变化计算检测电压信号。基于所提理论,本研究在已有FEM-BEM混合法涡流检测数值模拟软件的基础上,开发了可考虑磁芯影响的涡流检测数值计算程序。对于不同参数条件下的磁芯探头涡流检测问题,本研究方法与全域有限元商用软件计算结果一致,但本研究方法原理更为直观,验证了方法和程序的有效性。
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2023-09-08
摘要： Phase field model (PFM) is an efficient fracture modeling method and has high potential for hydraulic fracturing (HF). However, the current PFMs in HF do not consider well the effect of in-situ stress field and the numerical examples of porous media with stress boundary conditions were rarely presented. The main reason is that if the remote stress is applied on the boundaries of the calculation domain, there will be relatively large deformation induced on these stress boundaries, which is not consistent with the engineering observations. To eliminate this limitation, this paper proposes a new phase field method to describe quasi-static hydraulic fracture propagation in porous media subjected to stress boundary conditions, and the new method is more in line with engineering practice. A new energy functional, which considers the effect of initial in-situ stress field, is established and then it is used to achieve the governing equations for the displacement and phase fields through the variational approach. Biot poroelasticity theory is used to couple the fluid pressure field and the displacement field while the phase field is used for determining the fluid properties from the intact domain to the fully broken domain. In addition, we present several 2D and 3D examples to show the effects of in-situ stress on hydraulic fracture propagation. The numerical examples indicate that under stress boundary condition our approach obtains correct displacement distribution and it is capable of capturing complex hydraulic fracture growth patterns.
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2023-06-21 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 水泥土材料在剪切破坏过程中常会产生剪胀现象,但目前基于Mohr-Coulomb强度理论的恒定剪胀角模型不能正确表达水泥土材料在变形破坏过程中的非线性体积变化行为。因此,根据不同水泥掺入比和围压条件下的水泥土三轴压缩试验,结合塑性力学理论,采用非线性拟合方法建立了能同时考虑单轴抗压强度、平均应力和等效塑性应变影响的剪胀角模型,并运用有限元技术进行了数值模拟验证。结果表明,水泥土三轴试验的应力-应变曲线呈软化型,水泥土发生破坏后会伴随着明显的体积膨胀。水泥土的剪胀行为通常用剪胀角来量化,考虑平均应力和等效塑性应变影响的剪胀角模型能够合理表达水泥土在峰后的非线性体积变化行为,模拟结果与试验结果具有较好的一致性。而将剪胀角取为恒定值会出现高估或低估剪胀效应的情况,不能正确反映水泥土峰后的非线性体积变化规律。
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2023-06-21 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 本研究基于层合结构理论,提出了复合材料层合结构等效热膨胀系数预测模型。该模型既适用于对称铺设层合结构,也适用于反对称层合结构的等效热胀系数预测。同时,以碳纳米管增强复合材料层合结构为研究对象,针对反对称角铺设类型,对其等效热胀系数进行计算。计算结果显示,由于层间拉伸-弯曲-剪切耦合效应的影响,采用特定的铺设角度如(35/-35)3T,(55/-55)3T,碳纳米管层合结构能够在整体上呈现负热膨胀特性。这不但拓展了该类结构的服役工况,也为负热膨胀结构设计提供新的设计思路。
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