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关键词： 双轴压缩   单轴压缩   含马蹄形孔洞类岩石   应力应变曲线  

摘要： 在深层地下工程中,马蹄形巷道作为最常见的通道类型而被广泛使用,这些通道在使用过程中长期受到不同方向围压的作用,其稳定性是安全施工的基本保障。针对巷道长期受到不同方向围压作用的影响,采用相似模拟实验对巷道等的进行模型简化,进一步分析含马蹄形孔洞岩体的稳定性,以及破坏时裂纹扩展规律和破坏特征。 本文以含马蹄形孔洞的类岩石材料(水泥、细砂和水按26:25:10质量配比的水泥砂浆制作而成)为例,采用岩石力学和断裂力学等相关理论,进行了预制孔洞类岩石材料的双轴压缩试验和单轴压缩试验过程和结果的分析,并将模型分为三种,分别为不同拱顶弧长的含马蹄形孔洞试件、不同面积占比的含马蹄形孔洞试件、不同孔洞高度的含马蹄形孔洞试件。双轴压缩试验将采取三种围压:2MPa、4MPa、6MPa分别对三种情况下的孔洞类型进行施加围压,探求不同侧向压力对含不同类型孔洞类岩石材料破坏的影响。两种压缩试验方式下均研究了含马蹄形孔洞岩石材料的裂纹萌生与断裂原理;分析了含马蹄形孔洞的试样破坏特点,得到了以下研究成果: (1)在双轴压缩作用下,不同围压时,马蹄形孔洞类型对试件强度均造成减小的趋势,即试样峰值应力随着马蹄形孔洞圆拱弧度的减小呈现减小趋势;随着孔洞面积的增大而减小;随着孔洞高度的增加呈现减小趋势。 (2)在单轴压缩作用下,试件破坏后主要产生三种类型裂纹,分别是张拉型裂纹、滑移型裂纹、撕裂型裂纹;并且当改变孔洞拱顶圆弧弧长时,试件强度并无太大变化量,试件形变却随弧长变化而变化;改变孔洞面积,试件强度和轴向形变均有一定程度的影响;改变孔洞高度,对试件造成的影响则体现在试件强度的变化。 (3)采用颗粒流数值模拟软件对单轴压缩试验和双轴压缩试验结果进对比验证,所得结果与物理试验结果较为一致。分析了不同围压、孔洞尺寸、及孔洞范围等参数变化下模型试样的破坏模式,按照不同围压总结了孔洞的破坏形式、破坏特点、产生条件及破坏机制,验证了物理试验数据的准确性。

关键词： 碱激发   注浆材料   微观结构   干湿循环   冻融循环   渗透系数   土压力值   水压力值  

摘要： 为解决钢铁固废堆存量大、污染环境、利用率低等问题,以钢渣和矿渣2种工业固废为主要原材料,采用生石灰和碱溶液(Na OH和水玻璃)复合激发的方式制备低成本矿渣-钢渣注浆材料。通过单因素分析试验探究用碱量、钢渣/矿渣、生石灰掺量对注浆材料流动度、凝结时间、强度的影响,结合力学性能测试、X射线衍射分析(XRD)、傅立叶红外光谱分析(FTIR)、扫描电子显微镜-能谱分析(SEM-EDS)测试方法对注浆材料的强度形成机理展开分析。并对注浆材料展开抗渗性能、干湿循环、冻融腐蚀循环研究,探究注浆材料的耐久性能。采用制备的碱激发钢渣-矿渣注浆材料开展现场注浆试验,通过注浆前后岩土体的抗渗系数变化,及注浆前后压力的变化情况对注浆效果进行评价。研究结果表明:(1)浆液流动度随生石灰掺量、用碱量及钢渣/矿渣的增大不断降低;浆液的初凝和终凝时间随着生石灰掺量的增加、用碱量的增加,钢渣/矿渣的降低不断缩短;注浆材料28d抗压强度值随生石灰掺量的降低和用碱量的增加呈现递减的趋势,随钢渣/矿渣的增大呈现先增大后减小的趋势。(2)随着龄期的增长,试样内部水化反应充分、密实性更强,降低了试样内部的孔隙率;注浆材料内部水化产物以板状晶体为主(硬石膏、方解石),少量柱状晶体(钙矾石),同时还有大量凝胶类物质(C-S-H/C-A-S-H)附着在其表面,水化产物填充孔隙并紧密结合在一起,提高了注浆材料的强度;12号组试件的抗渗性能及孔隙结构均优于15和27号试件。(3)通过对材料进行微观试验和注浆材料的工作性能综合对比,碱激发钢渣-矿渣注浆材料的性能最优配比为:矿渣/钢渣为1:1.3,生石灰掺量3%,模数为1.6,碱激发剂掺量为13%,并以此配合比进行现场注浆试验。(4)通过干湿循环试验和冻融腐蚀循环试验发现,干湿循环过程中的水分反复迁移,冻融腐蚀循环过程中的电解质渗透与冻胀力双重作用,均使其质量损失率和单轴抗压强度损失率呈现上升趋势。微观分析发现,内部出现较多的裂隙和空洞使得孔隙率增加。EDS图分析发现内部有柱状和蜂窝状凝胶类物质,生成较多的絮状产物如C-S-H、C-A-S-H、Ca CO、钙矾石等凝胶物质。(5)通过现场渗透试验分析,注浆后重塑岩土体的渗透系数仅为注浆前的1/33,注浆后原状岩土体的渗透系数仅为注浆前的1/20,注浆后重塑和岩土体的渗透系数大大降低。与原状岩土体相比,重塑岩土体的渗透系数下降更为明显,说明现场注浆对某铁矿边坡涌水堵水效果显著,可应用于防排水方案之中。与注浆前相比,重塑岩土体的水平土压力值、竖向土压力值和孔隙水压力值均有所增长,推测注浆作用下岩土体内部变得更加密实,使得土压力值和水压力值增大。该论文有图57幅,表18个,参考文献103篇。

关键词： 数字图像相关法   力学性能测试   图像插值   初值估计   单轴拉伸实验  

摘要： 数字图像相关法自从被提出以来,凭借其对实验环境要求较低、能够实现非接触测量、位移应变全场测量等优点,受到国内外学者的重视与深入研究并在一些特定场景取得了成功应用,特别是对现有材料力学性能测试方法的补充和完善。本文探讨了数字图像相关法中的关键问题,建立了一整套位移应变计算程序,开发了相应的实验装置并对业界使用广泛的两种材料开展测试实验。文章的具体研究工作如下: (1)介绍了数字图像相关法的基本原理和形变数学模型,研究了相关系数函数、像素定位算法及应变求解方法以确定算法的整体结构框架。搭建了相应的实验装置并说明了图像畸变矫正的方法。 (2)为提高数字图像相关法的计算精度与计算稳定性,对其中的关键问题展开研究。比较了三种常用的插值方案对不同亚像素位移的计算误差,结果表明双三次样条插值的均值误差小、离散程度低;研究了利用遗传算法进行初值估计的方法,从多个方面证明了该方法准确有效,并能降低亚像素搜索过程的迭代次数;对比分析了两种图像匹配策略,选择增量参考方法能保证相关系数的一致性。 (3)开展了模拟散斑实验与常温平移实验用于测试本文所实现的DIC计算程序,通过模拟散斑实验得到算法程序的位移分辨率为0.01pixel;在可测量变形的范围内,位移最大均值误差不超过2%,应变最大均值误差不超过5%。常温平移实验计算结果的最大相对误差仅为1.79%,表明DIC算法程序计算精度高。 (4)对铝合金6061和ABS板材进行拉伸试验,利用最小二乘线性拟合的方法求解得到铝合金6061的弹性模量和泊松比分别为71.44GPa、0.307,与标准值的相对误差分别为3.69%、6.97%。采用同样的方法测量得到ABS板材的弹性模量与泊松比分别为2.6GPa、0.387,同时得到ABS板材在弹性变形阶段和塑性屈服阶段的应力-应变曲线。实验结果证明本文的DIC计算程序及实验装置能够实现材料力学性能参数的准确测量,并表明数字图像相关法运用于材料力学性能测试中的可行性与优越性。

关键词： 水泥基复合材料   纳米纤维素纤维   剑麻纤维   钢纤维   力学性能  

摘要： 在水泥基复合材料中掺入纤维是提高其力学性能的有效措施，不同尺度的纤维混杂可以充分发挥各纤维的性能优势实现多尺度增强和增韧的作用。目前对不同尺度纤维增强水泥基复和材料力学性能已有大量研究，但大部分研究主要是关于不同种类的宏观纤维混杂以实现对水泥基材料的增强，而纳米纤维素纤维（NanofibrillatedCellulose，NFC，也叫纳米纤化纤维素，或纳米纤维素晶体）作为一种可再生、低成本的绿色材料，具备优异的物理化学性能，是理想的纳米级增强材料。利用纳米纤维素和宏观纤维混杂组合，可以进一步增强水泥基复合材料的力学性能。本文以钢纤维、剑麻纤维以及纳米纤维素纤维作为水泥基复合材料的增强材料，构建多尺度增强体系，对其基本力学性能、轴心受压本构关系、断裂性能进行试验研究和分析。具体内容和结论如下：　　（1）研究了钢纤维、剑麻纤维以及纳米纤维素纤维单掺、钢纤维和剑麻纤维双掺、钢纤维、剑麻纤维以及纳米纤维素三者共同作用对水泥砂浆的工作性能和立方体抗压强度的影响。研究结果表明钢纤维、剑麻纤维以及纳米纤维素纤维的加入均使得水泥砂浆的流动性降低。纳米纤维素的加入会提升水泥砂浆的抗压强度，并且掺有0.2wt.%NFC的配比具有最高的抗压强度值，并且可以进一步提高钢-剑麻纤维混杂纤维增强水泥基材料的抗压强度，表现出优异的协同效应;随着钢纤维掺量逐渐增加，水泥砂浆的抗压强度呈现不断增大趋势;剑麻纤维的掺入对抗压强度的改善作用不明显。　　（2）测试和分析了纤维增强水泥基复合材料棱柱体的轴心受压性能。研究结果表明，钢纤维和剑麻纤维的加入对水泥砂浆的弹性模量影响不大，而纳米纤维素纤维的加入可以一定程度上提高弹性模量。基于典型普通混凝土受压应力-应变本构模型，选用分段函数描述纤维增强水泥基复合材料的应力-应变关系，确定上升段参数a1和下降段参数b1的取值范围（1≤a1≤1.67，1.5≤b1≤25），试验曲线与理论曲线吻合良好。　　（3）研究了钢纤维、剑麻纤维以及纳米纤维素纤维单掺、钢纤维和剑麻纤维双掺、钢纤维、剑麻纤维以及纳米纤维素纤维三者共同作用对水泥砂浆断裂性能的影响，通过计算起裂断裂韧度、失稳断裂韧度以及断裂能，用以评价其断裂性能。研究结果表明：使用适量剑麻纤维取代钢纤维可以有效提高断裂性能，其中在1.5%纤维掺量下SF1.3FF0.2的断裂性能最佳。并且纳米纤维素纤维的加入，可以与钢纤维、剑麻纤维形成纳观-宏观的多尺度阻裂体系，进一步提高水泥砂浆的断裂性能。基于混杂纤维综合增强指数RIV，建立了断裂参数与RIV的关系模型，确定了具有最佳断裂参数的RIV值。

关键词： 材料力学   思政元素   课程建设   育人  

摘要： 材料力学是一门与工程实际紧密结合的学科，以临沂大学土木工程与建筑学院“材料力学”课程思政教学改革为例，课程团队在教学过程中，深入挖掘理论知识与思政元素的结合点，从爱国主义和家国情怀、工匠精神、辩证思维培育、职业素养和工程意识、科学精神、理论联系实际等6方面进行总结提炼，形成了系统的思政教学案例库。通过材料力学课程思政建设，将思政元素润物细无声地融入专业课程中，实现了知识传授与价值引领的结合统一，做到了课程思政的立体化育人。

关键词： 铁水脱硫渣   固化土   基层材料   无侧限抗压强度   劈裂强度   力学性能  

摘要： 基于土壤固化技术，将铁水脱硫渣、高炉矿渣微粉、普通硅酸盐水泥与素土按一定比例拌和制备铁水脱硫渣固化土基层材料，通过击实、无侧限抗压强度、劈裂强度等试验对其性能进行测定，并分析物料掺量对铁水脱硫渣固化土力学性能的影响，结果表明：提高铁水脱硫渣掺量和降低矿渣微粉掺量均会使混合料最大干密度增大、最佳含水率下降；铁水脱硫渣固化土基层材料具有较好的力学性能，7 d无侧限抗压强度均大于6 MPa;当矿渣微粉掺量为40%时，铁水脱硫渣固化土基层材料达到力学峰值，道路基层强度最佳。

关键词： 短纤维增强复合材料   多相有限元   单胞模型   力学性能  

摘要： 短纤维增强复合材料是以短切纤维作为增强相来提高材料整体性能的一种新型复合材料，因其具有比强度高、比刚度高、易加工、成本低等优势，被广泛应用于建筑工程、航空航天、新能源汽车等领域。随着短纤维增强复合材料的广泛应用,对其等效弹性性能以及强度特性进行系统的研究便尤为必要，研究结果不但能够为材料设计优化提供指导，而且对实际工程应用具有重要意义。因此，本文基于多相有限元理论和水平集函数，提出了一种建立短纤维增强复合材料数值分析模型的方法。该方法只需对单胞模型进行简单规则的网格划分，便可以有效的解决传统有限元模型划分网格困难、网格质量低、网格难以划分为对称性等难题，进而提高建模效率，对于短纤维复合材料更进一步发展具有重要意义。本文的主要研究内容如下:　　(1)通过纤维方向张量还原纤维方向概率密度函数，采用了舍选抽样法确定RVE模型中的纤维方向，基于改进的随机序列吸附算法确定RVE中纤维的位置，进而确定短纤维增强复合材料的几何模型。基于多相有限元法对RVE模型进行规则的网格划分，通过水平集函数和几何模型区分出基体单元、纤维单元和混合单元,最终生成短纤维增强复合材料多相有限元模型。　　(2)为满足单胞模型边界处需同时满足位移连续和应力连续的边界条件，本文对短纤维增强复合材料多相有限元模型施加了周期性边界条件，基于各向异性材料本构关系，求解了短纤维增强复合材料的等效弹性性能。研究了RVE尺寸对等效弹性性能的影响并确定适宜单胞尺寸，讨论RVE模型网格尺寸的收敛性，分析讨论了纤维细观参数对等效弹性性能的影响。　　(3)针对短纤维复合材料单胞强度的问题，以广义Mises强度准则作为基体的失效判据，以最大应力准则作为纤维的失效判据，引入表征纤维失效和基体失效的刚度折减系数，对RVE模型中基体单元、纤维单元和混合单元高斯积分点上的材料刚度矩阵进行折减，建立了短纤维复合材料的渐进损伤模型，预测了短纤维复合材料在单轴拉伸载荷下的极限强度及失效过程。研究了不同纤维长径比、体积分数等几何参数对于短纤维复合材料强度的影响，实现了短纤维复合材料的破坏强度的预测。

关键词： 拉胀超材料   多功能   负泊松比   负热膨胀   声子带隙  

摘要： 与具备单一性能或单一功能的常规材料不同,先进多功能超材料可以同时实现两个或多个功能。因此,多功能超材料对所服役的环境具有更好的适应性。其中,在各种多功能超材料中,具有负泊松比和负热膨胀系数的轻质多功能力学超材料受到了研究人员的广泛关注,在航空航天、土木工程和精密仪器等领域具有广阔的应用前景。但是,目前力学超材料的研究多集中在单一力学性能标定,很少涉及其他物理性质和功能,且研究手段较为单一,一定程度上限制了多功能力学超材料的发展。因此,本文在基于花生状孔的穿孔式拉胀超材料研究的基础上,设计了一种由正交正弦曲线杆组成的、具备负泊松比、负热膨胀和声子禁带特性的二维超轻多功能拉胀超材料。本文主要工作内容为:(1)对基于花生状孔的穿孔式拉胀超材料进行轻量化设计,获得了一种含正交正弦曲线杆的拉胀超材料,构造了对应的均质化计算模型。接着,通过3D打印技术分别制备了三种不同构型的拉伸试件进行拉伸实验。研究结果表明,实验结果与计算结果吻合较好,验证了计算模型的正确性。最后,通过验证的均质化计算模型对超材料进行了参数化分析,获得了等效弹性常数和几何构型之间的对应关系,并得到无量纲形式的零泊松比预测多项式,其有效性通过拉伸实验得到了验证。(2)基于手性原理,设计了一种含双材料的新型负热膨胀拉胀超材料结构。有限元模拟表明当其两种材料的热膨胀系数不同时,结构在横、纵方向上具有几乎一致的负热膨胀效应。通过参数化分析进一步研究了两种材料的相对材料属性对热膨胀系数的影响。(3)采用有限元仿真方法,建立了含正交正弦曲线杆的拉胀超材料声子晶体模型,利用声波传输理论分析了超材料的禁带产生机理和传输损耗。然后,采用参数化分析方法研究了不同结构参数和基体材料属性对带隙宽度和频率范围的影响。研究结果表明,超材料在一定频率范围内具有较宽声学带隙,能够有效限制该频率段内弹性波的传播。通过调节形状参数和基体材料属性,能够实现对声学带隙的灵活调控。综上所述,本文设计了一种新型的含正交正弦曲线杆的负泊松比和负热膨胀结构,系统地研究了其力学性能、负热膨胀性能和声学带隙,为新型多功能超材料的设计和应用提供新的思路。

关键词： 减振器   金属橡胶材料   非线性力学行为   微接触摩擦现象   减振性能  

摘要： 金属橡胶（MR）作为一种全金属的新型非线性弹性材料，由金属丝编制成网状结构，具有适应复杂工况、承载能力强等特性，近年来在国内外得到了广泛的应用，特别是在航空、航天等高技术产业。金属橡胶材料的研究主要集中在制备方法、性能测试等，但其相关的基础理论研究仍处于发展阶段。本文构建了一种有效的力学模型来描述金属橡胶材料的非线性力学行为和复杂的微接触摩擦现象;通过理论、仿真和试验验证了模型的可行性，并与其他模型进行误差对比评估了模型的准确性;最后将金属橡胶应用到减振器模型中，对其减振性能进行探究。内容包括以下几个方面。　　首先，根据金属丝材料的不规则重叠、交错的特点，考虑材料受载变形的规律和金属丝之间的摩擦接触，基于微弹簧理论建立了包括金属橡胶的形状系数、相对密度和螺旋线圈直径等宏观参数，以及微弹簧的空间取向角、状态比和摩擦系数等微观结构参数的增强型本构模型。　　其次，从金属丝原材料的选择、螺旋卷的制备和铺设、毛坯的冲压和后期处理等方面来分析金属橡胶的工艺制备过程，通过对螺旋单体的搭建、铺设和缠绕关系的描述，建立了柱状金属橡胶的简化三维模型。　　然后，通过对比基于理论模型的MATLAB计算结果、基于虚拟样机的ADAMS动态模拟结果和实际测试下的准静态试验结果验证了所建模型的可行性。进而通过对比与多孔材料模型和悬臂曲梁模型的拟合误差，来判断三种力学模型对于金属橡胶的适用程度，从而评估所建模型的准确性。结果表明，由304不锈钢金属丝制备的柱状金属橡胶的特性，特别是其非线性刚度，在增强型微弹簧模型中得到了很好的模拟。　　最后，在 ANSYS WORKBENCH中对金属橡胶减振器的模型展开谐响应分析和瞬态动力学分析，研究了减振器在垂直方向上受到简谐载荷和冲击载荷下的减振情况，为实际工程中对金属橡胶工作方向的选择提供参考依据。

关键词： MAX相   镁基复合材料   性能调控   有限元模型   断裂行为  

摘要： 具备低密度、优异阻尼特性、高比强度和比刚度的镁基复合材料在汽车工业、航空航天等领域具有巨大的应用潜力。传统的二元陶瓷(Si C和AlO等)与镁基体界面结合弱,具有纳米层状片形结构的三元MAX相陶瓷有望克服这个弊端。同时,MAX相不同位置可进行元素固溶和空位设计。因此,开发新型的MAX/Mg基复合材料并阐明其调控机理及失效机制具有重要的科学意义。本文首先分别研究了N缺位(TiAl N,x=0.9,1.0)和不同A位(Al和Si)元素对镁基复合材料力学性能和界面结构的影响。采用无压浸渗法制备了体积分数几乎相同的三维双连续TiAl N/Mg复合材料,TiAl N/Mg的压缩屈服强度、显微硬度和抗压强度分别比TiAl N/Mg低了8.55%、6.67%和3.66%。采用搅拌铸造法分别制备了TiAl C和TiSi C增强的AZ91D镁基复合材料,与TiAl C/Mg复合材料拉伸断口未出现界面脱离不同,TiSi C/Mg复合材料出现界面脱离现象。界面结构分析表明,TiSi C中的Si未发生扩散,TiAl C中Al元素可扩散促使界面处生产纳米Mg晶粒并形成了强的界面结合。5 vol.%、10 vol.%、15 vol.%和20vol.%TiSi C/Mg的抗拉强度分别比对应体积分数的TiAl C/Mg低了2.5%、16.3%、35.1%和36.4%。由此可见,除了调控增强体组分以外,调控MAX相与Mg基界面的结合力也可以调控复合材料力学性能。开发相应的有限元模型,可有效指导MAX/Mg基复合材料性能调控和结构设计。基于二维和三维微观结构观察,开发了针对纳米层状片形结构MAX颗粒增强镁基复合材料的有限元本构模型。对10 vol.%TiAl C-AZ91D复合材料的拉伸断裂损伤演化过程进行模拟,发现裂纹从垂直于拉伸方向的颗粒基面(0001)萌生并扩展。另外,颗粒聚齐区率先出现较大的应力集中,引发拉伸断裂。随着应变的增加,基体裂纹扩展并与分层TiAl C颗粒连接,导致主裂纹的形成。界面强度的变化会影响复合材料的性能,较低的界面强度造成载荷传递能力低,导致颗粒分层无法进一步进行,而较高的界面强度有效增加了复合材料中的载荷传递能力,但降低了复合材料的伸长率并加速了基体失效。另外,改变MAX颗粒空间取向会对复合材料的断裂行为产生不同影响。