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热-水-力作用下圆孔花岗岩的动态损伤特征及结构模型

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岩土力学 2023年第3期44卷 741-756页

作者：王春胡慢谷王成河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454003 中南大学资源与安全工程学院湖南长沙410083 河南理工大学煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作454003

基于深层地热能开采时储能区井筒围岩所处的工程环境,采用高温加热、不同温度水浸泡、加热-循环次数及径向冲击加载的方法模拟井筒围岩经历的高温、遇水、循环采热及热冲击等造成的动力扰动等物理力学条件。同时,以不同内孔直径的同心... 详细信息

基于深层地热能开采时储能区井筒围岩所处的工程环境,采用高温加热、不同温度水浸泡、加热-循环次数及径向冲击加载的方法模拟井筒围岩经历的高温、遇水、循环采热及热冲击等造成的动力扰动等物理力学条件。同时,以不同内孔直径的同心圆孔岩样模拟深层地热井,采用分离式霍普金森压杆试验系统开展热-水-力作用下圆孔花岗岩的动态力学试验,并结合VIC-3D非接触应变测量及数值模拟分析技术监测冲击过程中圆孔岩样裂隙萌发、形成的历程和表面应变演化的规律,揭示热-水-力作用下圆孔岩样的动态损伤破坏机制。研究结果表明:径向冲击荷载作用下圆孔花岗岩先后经历弹性变形、塑性变形、结构失稳破坏3个典型阶段;内孔直径、加热温度、浸水温度、加热-浸水循环次数4因素都弱化了圆孔花岗岩抗外界荷载的能力,但未改变其整体的变形演化规律;圆孔花岗岩的破坏模式是动态拉伸破坏,先沿冲击方向由内孔壁向岩样外壁,再垂直冲击方向由岩样外壁向内孔壁萌发、贯通裂纹,形成近垂直的两组破裂面。最后,基于圆孔花岗岩的损伤变形特征及历程,在一定假设基础上,建立动态损伤结构模型,推演了结构方程,并结合试验结果确定了方程参数,通过对比分析发现,理论拟合曲线与试验曲线具有较好的一致性,验证构建的圆孔花岗岩动态损伤结构模型是合理的。研究成果不仅揭示了圆孔结构岩样的损伤破坏机制,也可为预测深部储能区地热井筒围岩损伤变形规律提供理论参考,具有一定的科学和工程实践意义。

关键词：热-水-力圆孔花岗岩动态损伤峰值荷载数值模拟结构模型

炸药晶粒包覆结构对PBX动态损伤影响的近场动力学模拟

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含能材料 2023年第2期31卷 160-169页

作者：黄亚飞邓小良柏劲松冲击波物理与爆轰物理重点实验室中国工程物理研究院流体物理研究所四川绵阳621999

为了研究包覆结构对高聚物粘结炸药(PBX)动态损伤的影响,基于非局域近场动力学理论(Peridynamics,PD),结合Voronoi方法构建了含单层或双层包覆结构的高聚物粘结炸药(Polymer bonded explosive,PBX)的PD计算模型,模拟了不同加载条件下PB... 详细信息

为了研究包覆结构对高聚物粘结炸药(PBX)动态损伤的影响,基于非局域近场动力学理论(Peridynamics,PD),结合Voronoi方法构建了含单层或双层包覆结构的高聚物粘结炸药(Polymer bonded explosive,PBX)的PD计算模型,模拟了不同加载条件下PBX的损伤响应。模拟结果显示,采用粘接剂1包覆时,相比于单层包覆而言,当加载速度分别为20,40 m·s^(-1)和60 m·s^(-1)时,双层包覆结构使HMX晶粒的损伤分别降低了42.8%,87.2%和46.8%,明显降低了PBX中HMX晶粒的损伤。HMX晶粒采用单层包覆结构时,损伤模式主要表现为穿晶损伤,采用双层包覆结构时,损伤模式转变为沿晶损伤。研究还得到了双层包覆结构下不同包覆材料对HMX损伤影响的定量结果,并据此得到了不同包覆结构的性能排序。同时发现包覆结构能够影响HMX晶粒内应力状态,从而影响HMX损伤程度。

关键词：近场动力学理论动态损伤高聚物粘结炸药(PBX) 包覆结构

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非均质岩石动态断裂损伤细观特征模拟分析

高压物理学报 2023年第4期37卷 122-133页

作者：崔年生危剑林袁增森徐振洋刘鑫王雪松福建省新华都工程有限责任公司福建厦门361000 五矿矿业(邯郸)矿山工程有限公司河北邯郸056000 辽宁科技大学矿业工程学院辽宁鞍山114051 沈阳工业大学建筑与土木学院辽宁沈阳110870

为从矿物晶质尺度研究非均质岩石动态断裂损伤的细观发展过程,采用颗粒流程序-等效晶质模型构建能够反映微观结构特征的非均质岩石模型,同时利用有限差分法FLAC2D和离散元法PFC2D建立耦合分离式霍普金森压杆系统,对不同冲击载荷下非均... 详细信息

为从矿物晶质尺度研究非均质岩石动态断裂损伤的细观发展过程,采用颗粒流程序-等效晶质模型构建能够反映微观结构特征的非均质岩石模型,同时利用有限差分法FLAC2D和离散元法PFC2D建立耦合分离式霍普金森压杆系统,对不同冲击载荷下非均质岩石的动态冲击破坏过程进行模拟分析。通过自编Fish语言,对动态破坏过程中矿物的晶内及晶间微裂纹进行细化分组及数量统计,从细观发展的角度剖析非均质岩石的动态断裂损伤演化过程。结果表明:在静态单轴压缩条件下,沿晶破坏是主导非均质岩石破坏的重要原因,晶间裂纹和穿晶裂纹逐步贯通,最终使试样展现出宏观的破坏模式;在动态冲击条件下,各矿物晶内及晶间的微裂纹增长过程均存在萌生期、快速增长期、缓慢增长期和停止增长期4个阶段;与静态单轴压缩条件下微裂纹数的增长模式相似,动态破坏初期晶间裂纹数明显高于晶内裂纹数,岩石主要发生沿晶损伤破坏,随着加载的进行和岩石破坏程度的提升,动态破坏的晶内裂纹数逐渐超过晶间裂纹数。此外,模拟中不同冲击载荷下峰值应变率与对应的峰值载荷以及动态峰值强度与对应的峰值载荷均表现出良好的线性关系,为快速确定岩石相关动态力学参数提供了简便的方法。

关键词：岩石非均质动态损伤微裂纹细观特征

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激波脉动荷载作用下煤岩体动态损伤特征研究

煤炭科学技术 2023年

作者：鲍先凯姜斌张武宋翔宇赵金昌于超云张童太原理工大学矿业工程学院内蒙古自治区高校城市地下工程研究中心内蒙古科技大学内蒙古自治区建筑结构防灾减灾工程技术研究中心内蒙古科技大学土木工程学院内蒙古科技大学内蒙古自治区土木工程安全与耐久重点实验室

为了研究水中高压电脉冲激波脉动荷载特性及其作用下的煤岩体动态损伤特征，通过开展不同水压、电压条件下的真三轴煤岩体压裂试验，研究水激波峰值压力、冲击荷载、加载速率等水激波加载特性，煤岩体钻孔侧壁环向有效应力与动态抗拉强... 详细信息

为了研究水中高压电脉冲激波脉动荷载特性及其作用下的煤岩体动态损伤特征，通过开展不同水压、电压条件下的真三轴煤岩体压裂试验，研究水激波峰值压力、冲击荷载、加载速率等水激波加载特性，煤岩体钻孔侧壁环向有效应力与动态抗拉强度的关系，煤岩体裂纹起裂应力、扩展角度与地应力、水压力、脉冲激波之间的关系。基于CT扫描和ABAQUS数值模拟软件计算不同液电参数下的煤岩体损伤变量，进而评价煤岩体动态损伤和裂纹起裂扩展形态及演化特征。研究结果表明：脉冲水激波峰值压力随着放大电压和水压的增加而迅速增加，加载速率随放电电压增加而增加、随水压增加而减小；相对于水压变化，放电电压的变化对水激波峰值压力及其加载速率影响更大；数值模拟与室内试验所得结果吻合度较高，二者从细、微观角度互相印证了随着水压、放电电压的增加，煤岩体的损伤变量增加明显，损伤致裂程度加剧，裂纹数量、扩展长度、开度、复杂程变化明显，其中放电电压的改变对煤岩体的损伤影响尤其明显。研究结果可以为我国水中高压电脉冲压裂煤岩体，高效抽采煤层气提供理论支撑，具有指导性意义。

关键词：水激波加载速率损伤变量动态损伤高压电脉冲水力压裂

3D打印类岩石材料强度特性与动态损伤本构模型

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哈尔滨工业大学学报 2023年第6期55卷 110-116页

作者：傅晶晶王志亮李松玉封陈晨合肥工业大学土木与水利工程学院合肥230009

为研究基于3D打印的层状类岩石材料动态损伤力学行为,对5组不同倾角的岩样,采用分离式霍普金森杆对其进行动态压缩试验。依据所得的应力-应变数据,以朱-王-唐本构模型为基础,建立一种线性弹簧体、Weibull分布损伤体和Maxwell体并联的黏... 详细信息

为研究基于3D打印的层状类岩石材料动态损伤力学行为,对5组不同倾角的岩样,采用分离式霍普金森杆对其进行动态压缩试验。依据所得的应力-应变数据,以朱-王-唐本构模型为基础,建立一种线性弹簧体、Weibull分布损伤体和Maxwell体并联的黏弹性本构模型,并结合试样的残余强度特性引入损伤修正系数。最后,将其推广应用于黑色页岩的变形规律研究,以检验该本构模型的适用性。结果表明:动态冲击下岩样峰值应力随着倾角的增加呈现先减小后增大的“V”形变化趋势,与天然层状岩石的变化规律相符合;所构建的损伤本构模型,能准确地表征3D打印的层状类岩石材料的应力-应变曲线形状及其力学特征;考虑损伤修正后,其还可较好地反映试样峰后阶段应力应变变化特性与残余强度。研究结果对揭示层状岩石动载下变形规律具有一定参考价值。

关键词： 3D打印类岩石材料动态损伤本构模型残余强度

粘弹性材料动态冲击损伤本构模型及其行为特性研究

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粘弹性材料动态冲击损伤本构模型及其行为特性研究

作者：董志飞太原科技大学

学位级别：硕士

我国幅员辽阔,自然灾害多发频发,开发高质量应急救援装备是应对重大自然灾害的重要手段。粘弹性缓冲系统被广泛应用于应急救援装备的减振机构中,常处于高速、重载、冲击、变温和变频的多因变耦合力学环境中,使得粘弹性缓冲系统的缓冲性... 详细信息

我国幅员辽阔,自然灾害多发频发,开发高质量应急救援装备是应对重大自然灾害的重要手段。粘弹性缓冲系统被广泛应用于应急救援装备的减振机构中,常处于高速、重载、冲击、变温和变频的多因变耦合力学环境中,使得粘弹性缓冲系统的缓冲性能发生大幅劣化,严重影响了救援效率和安全性。粘弹性缓冲系统性能劣化,是粘弹性阻尼材料损伤的宏观表现。因此,探明粘弹性材料在重载-冲击载荷下的损伤行为特性,成为新一代应急救援装备可控研发亟待解决的重要课题。为了探索重载冲击条件下的粘弹性材料的动态力学行为和损伤行为特性,本文在粘弹性材料力学本构建模、动态损伤建模和多次冲击特性等方面展开了研究。主要研究工作如下:(1)粘弹性变分数阶本构模型及冲击特性研究。引入了粘性系数,对粘弹性变分数阶本构模型进行了修正,用以描述冲击载荷下粘弹性材料力学行为特性。对模型了参数特性分析,确定了冲击载荷下材料的应力-应变曲线与模型中变分数阶阶数的映射关系,验证了模型对粘弹性材料冲击力学行为特性的表征能力。结果表明,修正的粘弹性变分数阶本构模型可以准确描述无损状态下粘弹性材料冲击力学行为特性,且参数少,物理意义明确。(2)粘弹性变分数阶动态损伤行为特性研究。为冲击载荷下材料动态损伤行为的全程演化规律,基于应变等效原理,引入损伤因子,结合修正的粘弹性变分数阶本构模型,建立了粘弹性变分数阶损伤本构模型。对粘弹性材料在不同冲击气压下的冲击实验应力应变曲线进行拟合,其相对误差均在5%以内。分析了粘弹性材料在冲击载荷下的损伤行为特性,探索了冲击气压对材料损伤行为的影响规律。开展了粘弹性材料微细观冲击损伤特性分析,对冲击后的硅橡胶和天然橡胶进行电镜扫描实验,分析不同冲击气压下两种橡胶冲击后微观形貌特征,并探究了冲击气压对损伤线区位置的影响。(3)粘弹性多次冲击力学行为及损伤特性研究。以某减振器专用橡胶材料为对象,开展不同冲击气压下的多次冲击实验。通过实验曲线,分析了不同冲击气压下粘弹性材料多次冲击力学行为特性。通过多次冲击后割线模量的变化,分析了粘弹性材料性能劣化趋势;基于粘弹性变分数阶损伤本构模型,分析了多次冲击过程中材料的损伤行为特性和损伤累积效应。

关键词：粘弹性动态损伤多次冲击本构模型微观形貌

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金属材料动态损伤与断裂的多尺度模拟研究

金属材料动态损伤与断裂的多尺度模拟研究

作者：祁忠鹏西南大学

学位级别：硕士

金属在强动载荷下的损伤演化动力学问题备受军工航天、重型机械等工程技术领域的关注。材料的动态损伤行为涉及从微观到宏观的跨尺度过程,持续时间极短,包含弹塑性变形、相变、冲击波传播以及微孔洞演化等非线性作用。澄清影响损伤演化... 详细信息

金属在强动载荷下的损伤演化动力学问题备受军工航天、重型机械等工程技术领域的关注。材料的动态损伤行为涉及从微观到宏观的跨尺度过程,持续时间极短,包含弹塑性变形、相变、冲击波传播以及微孔洞演化等非线性作用。澄清影响损伤演化历程的微介观因素及规律,对深刻理解材料动态损伤至关重要。因此,有必要开展金属动态损伤行为及关键物理机理的科学研究,为涉及材料动态破坏问题的材料及结构的工程应用提供理论基础和技术储备。金属材料在强动载荷下的物理力学行为将跨越从“纳米”到“米”量级的空间尺度和从“飞秒”到“微秒”量级的时间尺度,这些行为在不同时空尺度上相互耦合。受限于实验条件及诊断技术,对金属动态过程进行时空尺度的精准表征还较为困难。近年来,随着计算机技术的快速发展,数值模拟技术被广泛应用于材料动态损伤断裂问题的研究,它为从微观机理到宏观损伤现象的深刻解读提供了重要方法与思路。鉴于此,本文利用分子动力学和有限元模拟方法对金属材料的动态损伤行为进行了系统研究,提升了对微观机理的认识。本文首先使用分子动力学多尺度冲击技术(MSST)研究了冲击压缩下金属铜的Hugoniot态,发现Hugoniot态下的压力和比内能随比容的增大而增大,而Grüneisen参数随着比容增大而减小。通过选取七组不同冲击速度对金属铜进行单轴冲击加载,发现其冲击速度与粒子速度满足线性关系u=3.91+1.53u。此外,将求得的Hugoniot曲线与实验值进行比较,验证了embedded-atom-method势函数的准确性。随后,将基于MSST模拟技术计算得到Mie-Grüneisen状态方程的相关参数,引入LS/DYNA中获得了自由面速度曲线,发现Slater和Dugdale-Mac Donald模型中的这些参数均能较好反映材料的层裂特性。在冲击模拟过程中,结合冲击载荷下靶材面的波系演化特点及自由面速度曲线的演化特征,本文研究发现:层裂先于“回跳信号”产生,层裂面上的“应力反转”和“回跳信号”发生的时间差足以产生完全层裂。随着加载速度的升高、拉伸应变率的降低,层裂强度都呈下降的变化趋势。此外,相比于基于声速法得到的层裂强度,由层裂面最大拉应力得到的层裂强度,在不同加载速度、应变率下均大于基于声速法得到的值。这是由于较高冲击速度促进了材料的微结构演化,因此这两种方法得到的数值误差随着加载速度的升高而减小。在恒定加载速度下,拉伸应变率对两种计算方法下层裂强度的变化趋势影响不明显。金属在冲击过程中内部的温升效应对材料的损伤演化有重要的影响。为此,本文通过统计典型单元的温升温度,发现:当加载速度为250 m/s时,温升可达52 K,这主要来源于损伤过程中塑性功的转化,由此推断层裂过程存在塑性变形。结合靶材面上的温度分布云图,发现层裂发生后层裂面的温度明显高于其他位置,这归因于层裂初期孔洞产生引起的热耗散。另外,随着冲击速度的增加,材料层裂强度降低,表现出较高的损伤演化率。层裂的发生与材料的损伤演化过程密切相关。为此,本文研究了高应变率下,初始温度对损伤行为、相变和塑性变形的影响。本文研究发现:在三轴拉伸下金属铌的损伤演化过程可以分为四个典型的阶段:原子无序、孔洞形核、孔洞长大和孔洞聚集。材料的损伤起始于微孔洞的形核,由此产生的应力松弛导致体系内拉应力的下降。随后,在孔洞长大阶段拉应力开始急剧下降,并在孔洞聚集阶段趋于稳定。初始温度的升高使得孔洞形核提前且孔洞长大持续时间变短,材料的损伤演化表现出显著的温度效应。此外,通过研究不同初始温度下,相同的孔洞体积分数时材料内外部的孔洞演化,发现:在初始温度较低时,体系内孔洞数量少但单个孔洞的体积较大;反之,孔洞数量多但单个孔洞的体积较小。最后,本文结合损伤演化信息分析了相变和塑性变形的温度效应。结果表明:单晶铌的损伤演化伴随着相变的产生,密排六方(HCP)相的含量远大于面心立方(FCC)相,孔洞演化促进了HCP相的产生。此外,体心立方(BCC)相的反转是高能态下的不稳定结构随体系趋于稳定后发生恢复所造成的,径向分布函数同样证明了这一相变恢复现象。初始温度升高会促使相变提前发生,并显著影响着不同相的转变应力。在不同的初始温度下,单晶铌的相转变应力可被分为三个典型的阶段,其中900 K被定义为特征转变温度。另外,高应变率下这种材料的塑性变形以1/2位错为主,并且孔洞形核先于位错产生。材料的位错发射与孔洞的尺寸有关,只有当孔洞尺寸足够大才能满足位错发射的临界应力。随着体系初始温度的升高,位错提前发射且位错密度显著增加。本文通过数值模拟技术重现了金属材料的动态演化过程,探讨了加载速度、温度、应变率对动态损伤行为的影响,揭示了外加条件对材料动态力学性能的影响规律,为材料及结构的工程应用提供了科学指导,有助于推动相关工程领域高性能材料的研发。

关键词：金属材料动态损伤有限元方法分子动力学模拟高应变率和温度

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电子产品动态损伤最优估计与寿命预测

仪器仪表学报 2011年第4期32卷 807-812页

作者：方甲永肖明清周越文王邑空军工程大学自动测试系统试验室西安710038

针对电子产品寿命预测中存在的不确定性因素影响,提出一种基于粒子滤波的电子产品动态损伤最优估计和寿命预测方法。首先建立了电子产品动态损伤HMM模型;分析了电子产品动态损伤和寿命预测中的不确定性因素;通过贝叶斯滤波模型,将寿命... 详细信息

针对电子产品寿命预测中存在的不确定性因素影响,提出一种基于粒子滤波的电子产品动态损伤最优估计和寿命预测方法。首先建立了电子产品动态损伤HMM模型;分析了电子产品动态损伤和寿命预测中的不确定性因素;通过贝叶斯滤波模型,将寿命预测的不确定性问题转化为最优估计问题;利用粒子滤波算法求解出电子产品动态损伤的最优估计值,从而进行寿命预测;实验证明,该方法可有效消除系统和测量因素的干扰,明显提高电子产品剩余寿命预测的精度。

关键词：动态损伤寿命预测粒子滤波不确定性

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历经荷载历史混凝土动态受拉损伤试验研究

工程力学 2010年第1期27卷 123-128,140页

作者：肖诗云田子坤大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室大连116024

该文通过在MTS试验机上对普通混凝土受拉试件预先施加不同应变率和大小不同的荷载历史,然后对经历荷载历史后的混凝土受拉试件在应变率10?5/s―10?2/s范围内进行动态单轴拉伸损伤试验,研究了荷载历史对混凝土的动态抗拉强度、动态变形... 详细信息

该文通过在MTS试验机上对普通混凝土受拉试件预先施加不同应变率和大小不同的荷载历史,然后对经历荷载历史后的混凝土受拉试件在应变率10?5/s―10?2/s范围内进行动态单轴拉伸损伤试验,研究了荷载历史对混凝土的动态抗拉强度、动态变形特性和动态损伤特性的影响。研究结果表明:混凝土经历荷载历史后,混凝土抗拉强度和混凝土损伤槛值都降低了,但临界应变受荷载历史影响不大;在相同的应力比和应变比情况下,混凝土的损伤值随着荷载历史的增加而增加了。

关键词：混凝土应变率荷载历史动态损伤损伤槛值