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关键词： 隧道   软岩大变形   让压支护   缓冲层   泡沫混凝土  

摘要： 随着“一带一路”战略规划的提出,以及“西部大开发”政策的深入实施,我国隧道建设的需求仍保持快速增长,并进一步向“特长深埋”方向发展。其中,高地应力诱发的深埋软岩隧道围岩流变大变形已成为制约隧道安全、高效、经济建设的关键点之一。在软岩隧道建设过程中,常发生围岩变形加速、变形量超限,进而造成初期支护破坏、钢拱架扭曲和二衬开裂等问题。高地应力中,软岩会产生显著的流变变形,这是支护结构产生破坏的主要原因。然而,目前多数发生软岩大变形的隧道工程,依然是采用拆换支护、扩挖断面等措施来解决问题,这严重影响了隧道安全。因此,挤压软岩隧道围岩流变大变形控制仍然是地下工程领域亟需解决的关键难题。 本文以挤压软岩隧道为背景,采用室内试验、理论分析、数值模拟等研究方式,对挤压软岩隧道中高性能缓冲层力学特性、让压支护缓冲层衬砌参数优化以及让压支护效果仿真计算等方面展开了深入研究,得到以下研究成果: (1)挤压软岩隧道在开挖过程中围岩大幅释放应力,导致其内部应力重分布,造成高量级不均匀松散变形,其作用与支护结构的力呈现不均匀性,容易导致支护结构失效。缓冲层让压支护体系的构建,降低了围岩不均匀变形对支护结构的影响,通过其恒阻让压的力学特征,吸收围岩释放的应力,降低并均匀传导应力至二次衬砌,其让压支护特征曲线分为弹性阶段、屈服阶段以及强化阶段。 (2)开展了不同密度、不同聚丙烯纤维含量、不同碳纤维含量下的高性能缓冲层单轴压缩试验,对其屈服平台、延性、峰值应力等力学特性进行研究。试验结果得出,聚丙烯纤维泡沫混凝土应力-应变曲线可分为三个阶段:弹性阶段、掉落阶段、屈服阶段;碳纤维泡沫混凝土应力应变曲线可分为三个阶段:弹性阶段、屈服阶段、强化阶段。当纤维掺量达到一定阈值后,其对泡沫混凝土抗压及吸能效果影响不再显著,碳纤维对泡沫混凝土峰值应力改善效果显著。进而通过含缓冲层的复合式衬砌模拟高性能缓冲材料在实际工程中的力学状态,经过单轴压缩试验验证,其力学特征与高性能缓冲材料基本保持一致。因此配比良好的纤维泡沫混凝土能够使其达到最佳抗压及吸能效果。 (3)开展了挤压软岩中高性能缓冲层让压支护数值模拟研究,基于缓冲层的让压支护作用,得到围岩、衬砌应力、应变的变化规律。研究发现:缓冲层位于初期支护与二衬之间时,缓冲效果最好;随着缓冲层厚度增加,围岩变形越大,围岩与衬砌受到的压力越小,但当缓冲层厚度达到一定阈值,围岩变形量不再显著增加,围岩与衬砌受到的压力也不再降低,因此合理的缓冲层厚度使其围岩及衬砌压力释放效果达到最佳状态。

关键词： 负泊松比结构   地质聚合物   抗压实验   能量吸收特性   3D打印  

摘要： 建筑材料的轻量化设计对于安全性能有着重要意义,为了获得一种轻质高强材料,设计了一种新型负泊松比蜂窝结构,其在受压时横向收缩,将其与泡沫地质聚合物耦合,地聚物基体在受压时向外膨胀,负泊松比结构向内收缩提供横向约束,使大量地聚物处于三轴压缩状态,进而提高复合材料变形、能量吸收、抗压强度等。 为了研究负泊松比模型受压时的力学性能,根据模型结构参数之间联系确定相对密度公式,利用能量法和单位载荷法,建立弹性模量和泊松比的数学模型。通过准静态压缩实验探究了其周期性结构数与变形模式之间的关系,结果表明,选用树脂材料时,模型达到平台区后发生脆性断裂,晶胞个数越多平台区越不明显。随后利用有限元软件对不同结构参数θ1,θ2,以及周期性结构数n在不同冲击速度下的实际工况进行模拟,通过分析位移及力的曲线,研究其变形及能量吸收特性,进而指导模型优化,结果表明,随着周期性结构数n的增多其刚度越大。增大θ1,减小θ2可提高模型的冲击性能,冲击速度越大,变形越集中在冲击端。 为了获取轻质高强的地质聚合物,实验探究不同材料对其力学性能和体积稳定性的影响。实验结果表明,草木灰、高岭土的加入提高了不同时期的强度。玻璃微珠和乳胶含量在降低重量的同时降低了其抗压强度。抗压强度随着碱激发剂的模数和质量的提高出现先增加后减小,增大粉煤灰、玻璃微珠含量能够有效抑制干燥收缩。最后完成地聚物的最终配比,所配得的地聚物其抗压强度为5.44 MPa,干密度为0.7362 g/cm3,高于近期研究成果和泡沫混凝土规范中的要求。 最后将地质聚合物与负泊松比结构耦合,通过准静态压缩实验探究其力学特性,实验结果表明,周期性结构数n越少提供的横向约束越低,破坏了地聚物结构的连续性,降低了抗压强度,但提高了其变形和能量吸收能力。其抗压强度随θ2的增大先增加后减小,压溃率效率先减小后增加。最后不同填充物密度对于结构的抗压强度有较大影响,填充物密度越高,其能量吸收特性越好。

关键词： 聚乙烯   氮化硼   复合材料   力学性能  

摘要： 聚合物纳米复合材料在越来越多的领域引起人们的关注。然而，无机纳米填料的加入会导致聚合物纳米复合材料的力学性能急剧下降，这限制了其广泛应用。因此，力学性能的优化一直是聚合物纳米复合材料面临的一个主要难题。本论文以高密度聚乙烯/氮化硼（HDPE/BN）导热复合材料为模型体系，采用纳米填料表面改性以及聚合物基体增强的方法优化复合材料的力学性能，研究了复合材料结构与性能的关系。主要工作如下:　　（1）在机械力的辅助下使用3-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）对BN进行表面改性得到了改性BN（m-BN）,并通过熔融混合制备了一系列HDPE/m-BN复合材料。研究了BN表面改性对复合材料微观形貌、力学性能、结晶与流变性能以及导热性能的影响。结果显示:使用KH550球磨的方法成功在BN表面接枝了硅烷基团。和HDPE/BN复合材料相比，HDPE/m-BN复合材料杨氏模量、屈服强度以及断裂伸长率均有所增加。这是由于表面改性提高了BN在HDPE基体中的分散性，同时提高了BN与HDPE基体的界面相互作用力。在BN含量为20wt％时，HDPE/m-BN的断裂伸长率相比于HDPE/BN提高了55％。此外，BN表面改性后复合材料具有更好的加工性，且导热性能也有所提高。　　（2）在BN表面改性的基础上，使用超高分子量聚乙烯（UHMWPE）作为基体增强材料，研究了基体增强对复合材料微观形貌、力学性能、流变性能以及导热性能的影响。结果表明:UHMWPE/HDPE/m-BN复合材料中m-BN分散良好;复合材料的杨氏模量和屈服强度均有增加;断裂伸长率随着UHMWPE含量的增加先增加后下降，UHMWPE含量为5wt％时性能最佳。在m-BN含量为20wt％时，UHMWPE含量为5wt％的复合材料相比于未添加UHMWPE的复合材料，断裂伸长率提高了82％。使用SEM观察复合材料断裂面的结果显示，添加UHMWPE后，断面出现纤维状结构，说明添加UHMWPE具有良好的增韧作用。此外，添加UHMWPE提高了复合材料的导热性能。

关键词： 冻融循环   稻壳灰   硅灰   水泥基材料   力学性能   能量分析   微观机理  

摘要： 在寒冷区域,冻融破坏是影响建筑结构耐久性的主要因素之一。在冻融循环作用下,水泥基材料中孔隙水重复着液态-固态-液态的交替转化,使得材料内部结构出现交替应力,产生裂缝,导致建筑结构的强度和刚度不断下降。产生的裂缝还会使建筑结构中的钢筋发生锈蚀、碳化和化学腐蚀,从而造成维护成本提高,使用寿命缩短。此外,随着建筑行业的不断发展,自然资源越来越少,将工业废弃物使用于水泥基材料中也越来越普遍。用稻壳灰替代硅灰制备水泥基材料可将稻壳固体废弃物进行再利用。因此,研究冻融循环下稻壳灰-硅灰水泥基材料的力学性能具有重要意义。 本文以稻壳灰-硅灰水泥基材料为研究对象,首先对不同掺量稻壳灰-硅灰水泥砂浆的流动度、密度和纵波波速等物理性能进行分析;然后通过静态单轴压缩试验和动态SHPB试验,分析了养护龄期和冻融循环作用对不同掺量稻壳灰-硅灰水泥砂浆静态抗压性能的影响,探讨了冻融循环作用下不同掺量稻壳灰-硅灰水泥砂浆的动态冲击性能;最后结合SEM试验、XRD试验和孔结构试验从宏观和微观两个方面揭示了冻融循环条件下稻壳灰-硅灰水泥砂浆的冻融损伤机理。主要研究结论如下: （1）在冻融循环作用下,随着稻壳灰替代硅灰比例的增加,水泥砂浆的纵波波速先增加后降低;当稻壳灰替代硅灰比例达到50%时,试件的纵波波速最大。这是由于稻壳灰和硅灰的加入填补了试块内部孔隙,从而增强了颗粒间的粘结作用,有效地缓解了冻融循环作用下孔隙水的相变交替转化对试件所造成的损伤,加快了波速的传播。 （2）不同龄期下稻壳灰-硅灰水泥砂浆的应力-应变曲线为具有屈服阶段的单峰曲线,均经历了压密、弹性、裂缝开展以及破坏四个阶段。随着龄期的增长,破坏阶段下降段曲线斜率逐渐增加,表现出脆性的特征。稻壳灰和硅灰的掺入,有效减缓了应力集中导致的试件快速破坏现象,提高了试件的抗压性能。 （3）稻壳灰替代硅灰可以明显改善水泥砂浆的抗冻融性能。在冻融循环作用下,随着稻壳灰替代硅灰比例的增加,试件的抗压强度、弹性模量、吸收能和弹性能均呈现先增加后降低的趋势;当稻壳灰替代硅灰的比例达到50%时,效果最佳;此时,试件内部的裂纹和孔隙数量较少,破坏程度最轻。这说明稻壳灰替代50%的硅灰后,稻壳灰的火山灰效应和硅灰的填充效能得到充分发挥,使得试件内部结构更加紧密,抗冻融性能得到提升。 （4）在动态冲击试验中,稻壳灰和硅灰的掺入有助于改善水泥砂浆试件内部裂纹传播路径、延迟并抑制因冻融循环作用所造成的裂纹形成和扩展,以轴向劈裂拉伸破坏和剪压破坏为主。在冻融循环作用下,当稻壳灰替代硅灰比例达到50%时,试件的峰值应力和极限韧性达到最大,此时试件内部的裂纹和孔隙数量较少,试件破坏时碎块数量减少,抗冻融性能得到明显提升。 （5）微观试验结果表明,稻壳灰和硅灰的大比表面积可以优化水泥砂浆的孔隙结构,发挥填充效应,减少了试件内部的裂缝和气孔数量。同时,稻壳灰中大量的高活性Si O2可以与水泥水化产物Ca（OH）2发生反应,降低了Ca2+浓度,促进了水泥水化反应,形成的C-S-H凝胶提高了水泥砂浆的致密程度,气孔和裂纹数量减少,抗冻融性能明显提升。 图53表6参考文献88

关键词： 高温   类岩石材料   力学性能   能量演化   本构模型  

摘要： 随着时代的进步,经济的发展,我国地下空间的开发正在如火如荼的进行中。在地下空间的研究中,岩石的力学性能是地下空间开发所必须掌握与了解清晰的,因此研究高温及循环加卸载下岩石的损伤力性能具有重要意义。本文以类岩石材料为研究对象,对其进行20℃、200℃、400℃、600℃、800℃五个梯度的温度处理,在高温处理后进行单轴压缩试验及循环加卸载试验,分析了单轴压缩下类岩石材料的力学性能、物理性能变化趋势及能量演化规律,并根据单轴压缩试验结果建立了高温与荷载共同作用下的损伤本构方程;分析了循环加卸载下应力-应变曲线、加载应变和累计残余应变及能量演化。主要结论如下: (1)随着温度的上升,试件单轴抗压强度在200℃时增大,后续随温度提高不断降低,且质量损失率与体积变化率随温度上升而逐渐下降。 (2)弹性模量随着温度的上升逐渐降低,说明试件的塑性性能逐渐加强,通过分析试件能量演化规律也验证了试件的塑性性能随着温度的升高逐渐上升。 (3)基于损伤力学及应变等效假定等基础理论,建立了高温与荷载共同作用下的损伤本构模型。通过分析参数m与温度的关系发现在400℃前,试件在高温作用下延性特征逐渐明显,在达到600℃时,试件承载力快速下降,试件表面裂纹演化加快。 (4)分析循环加卸载应力-应变曲线,发现随着温度的提高,试件抵抗循环加卸载带来的疲劳损伤的能力下降,且试件的弹性刚度随着循环次数的增加逐渐降低;分析发现不同温度下累计残余应变随加载应变增大而增大;分析发现总应变能、弹性应变能、耗散能在总体趋势上均随着温度的升高逐渐增加。 图 [33]表 [15]参[81]

关键词： 同步带   斜纬机织物   橡胶基复合材料   力学性能   数值模拟  

摘要： 斜纬机织物是一种经纬纱呈非正交交织结构的机织物,由其增强的三元乙丙橡胶（EPDM）复合材料具有优异的随形、匹配变形和耐磨等性能,可作为同步带织物层而应用于高精度传动领域。然而,现有同步带中的织物层多通过正交机织物斜裁包覆而成,存在织物的随形性不足、与基体的变形匹配性差等问题。因此,如何采用织机直接织造形成非正交交织结构的斜纬机织物,并阐明其与EPDM复合材料的力学行为和破坏机理,具有重要的理论和工程价值。本文以高精度同步带应用需求为牵引,以经纬夹角呈120°的斜纬机织物为研究对象,搭建了120°斜纬机织物织造装备,设计并织造了120°斜纬涤棉机织物。在此基础上,制备了120°斜纬机织物/EPDM复合材料,采用实验和数值模拟相结合的方法,开展了其在不同温度下的偏轴拉伸和应力松弛特性研究,理清了材料结构参数与性能的映射关系及破坏机制,为提升同步带的传动精度和使用寿命提供了数据和理论支撑。主要研究内容和结论如下: （1）针对经纬纱夹角为120°的斜纬机织物,基于剑杆织机,通过调控后梁角度精确控制经纱张力分布、优化综框运动轨迹与综丝眼宽度匹配度而减少纱线挤压和磨损、改进四连杆结构以提高打纬操作的效率和精度、增加可调控前梁实时调节织物张力、通过步进电机精确控制卷绕速度和张力等措施,成功搭建了斜纬机织物织造装备,实现了涤棉65/35斜纬机织物的连续稳定织造。 （2）以涤棉65/35正交机织物和斜纬机织物为研究对象,设计了不同偏轴角度（15°、30°、45°、60°和75°）及不同长宽比λ（0.5≤λ≤40）的试样,开展了偏轴拉伸性能测试,获取了应力-应变曲线和损伤形貌,阐明了偏轴拉伸特性及结构效应。结果表明,斜纬机织物具有明显的偏轴效应和尺寸效应。斜纬机织物在经纬夹角为120°的对角线方向的拉伸过程中形成了拉伸变形区、拉剪耦合区和剪切变形区等三个变形区域,使之具有优异的断裂伸长率（103%±1%）。同时,当长宽比4＜λ≤8时,斜纬机织物的失效模式主要表现为纱线抽拔与剪切断裂的混合模式;当λ>8时,失效模式则以纱线抽拔为主。 （3）针对斜纬机织物“经纬纱夹角120°”的几何特性,提出了适用于“截面-路径”参数化建模方法。建立了织物工艺参数与结构参数关联关系,采用凸透镜形截面和边缘路径引导,构建了斜纬机织物在经纬夹角为120°的对角线方向的单胞模型和全尺寸宏细观有限元模型。通过VUMAT子程序定义纱线的本构关系与破坏准则,模拟了织物在拉伸过程中的力学行为。结果表明,数值模拟的应力-应变曲线与实验结果误差低于10%,验证了模型的可靠性和准确性。同时,织物在拉伸过程中的应力主要集中在纱线交织点附近,这与实验观察到的损伤形貌高度一致。 （4）制备了沿经纬夹角为120°的对角线方向铺覆的斜纬机织物/EPDM复合材料（BFRC-60）和以经向为轴偏转60°裁切的正交机织物/EPDM复合材料（OFRC-60）试样,开展了常温下的剥离、拉伸和弯曲性能表征。同时,建立了BFRC-60的宏细观有限元模型,数值模拟了不同温度（25℃、50℃、70℃、90℃、110℃、130℃和150℃）下的拉伸力学性能,获取了应力-应变曲线和损伤形貌,揭示了其失效机理。结果表明,相比于OFRC-60试样,BFRC-60的抗拉强度和弯曲强度分别提高36%和11%,而弯曲模量降低30%。BFRC-60的平均剥离强度比OFRC-60低16%。相比于常温,BFRC-60在150℃下的抗拉强度和断裂应变分别降低了55%和40%。此外,拉伸数值模拟在不同温度下的应力-应变曲线与实验数据偏差均小于2.5%。进一步,BFRC-60拉伸失效主要表现为纱线间的滑移,而OFRC-60则以纱线断裂和界面分层为主。 （5）制备了BFRC-60和OFRC-60复合材料,采用自主设计的应力松弛测试设备,研究了不同初始应变（25%、50%、75%和100%）、应变率(0.006 s-1、0.012 s-1、0.018s-1、0.024 s-1和0.030 s-1)和温度（25℃、50℃、70℃、90℃、110℃、130℃和150℃）下的应力松弛行为,获得了时间-应力曲线和松弛特征参数。同时,采用三种Maxwell模型对应力松弛曲线进行拟合分析,揭示了BFRC-60的黏弹性特征和应力松弛机制。结果表明,相比于OFRC-60（38.24%～45.57%）,BFRC-60在不同的初始应变下的松弛率（37.33%～43.84%）更优于纯EPDM材料（38.67%～41.78%）。同时,随着应变率从0.006 s-1增加至0.030 s-1,BFRC-60的松弛率由38.35%升高至41.82%。此外,温度从25℃升高至150℃时,BFRC-60的初始应力由5.74 MPa下降至2.10 MPa,松弛率由39

关键词： 分子动力学   铝合金材料   力学性能   微观结构分析  

摘要： 铝合金作为一种重要的轻质金属,因其本身低密度、高强韧性、耐腐蚀等特点而在众多领域被广泛采用,包括航空航天、汽车与造船、建筑业、电子信息技术和体育设备生产等行业。尤其在建筑领域,它已经成为一种基础又关键的材料。然而,铝合金较低的熔点和较高的热传导性在火灾情况下导致其承载能力急剧下降,这种下降表现为材料的快速熔化或软化。鉴于此,本研究旨在探讨铝合金材料的力学。通过运用分子动力学软件（LAMMPS）进行模拟,结合模拟得出的力学性能参数和微观结构演变分析,深入探讨影响铝合金力学及耐火性能的各种因素,为提高铝合金在高温环境下的安全性和可靠性提供理论依据,进而拓宽其在工业应用中的潜在用途。 使用LAMMPS分子动力学模拟软件,对铝合金模型进行单轴拉伸模拟。在模型充分驰豫后,对常温（300K）下的铝合金施加应变速率为0.001ps-1的拉伸载荷。通过对弹性模量、抗拉性能登参数和微观结构分析,发现在常温环境下,合金模型在拉伸过程中,材料力学特性的退化主要由体系内部原子运动引起的缺陷所导致。随着温度的升高,原子的热运动的增强导致模型内部空隙率增大,铝合金的力学性能进一步降低。温度升高引起的变化在宏观上表现为材料发生“软化”,合金的耐火性能随温度上升有所下降。而随着拉伸速率增大,合金的抗拉强度及延展性也在增加。通过预拉伸形变可在一定程度上增强合金的力学性能。 在铝合金实际的生产制备过程中,难免会因为工艺等因素合金内部出现不可避免的缺陷。建立含有不同尺寸孔洞的铝合金模型,分析温度和应变速率对其力学及耐火性能的影响。模拟结果显示,尽管总体趋势与不含孔洞的合金模型相似,但是孔洞的存在为合金提供了位错源,使位错更易聚集在孔洞周围,形成应力集中区域,屈服应力及应变相较于不含孔洞的合金都下降明显。含孔洞的合金对温度的变化更加敏感,合金的各项力学性能及耐火性能都不及不含孔洞的合金。 对模型中不同元素的比例进行了调整,研究不同元素比例的铝合金模型力学性能变化。模拟结果表明,适量加入镁元素可以提高合金的整体力学性能。加入镁元素有助于阻止缺陷结构的生成与扩散,并限制位错的活动,在高温下减缓材料的形变速率,提高其耐火性能。