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[硕士论文] 栾玥琪
工程力学 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:本文依托不同冲击荷载下钢管混凝土压裂实验,通过查阅相关资料分析了数字图像相关法的优势与适用范围,采用DIC-3D软件对实验中拍摄下来的高速图像进行位移与应变分析,得出钢管混凝土裂纹演化规律,并在此基础上展望了数字图像相关法在工程实践中的扩展与运用。论文的主要工作与结论如下所示:
  (1)从数字图像相关法的工作原理、优点、适用范围等方面分析它在脆性材料受冲击荷载实验中的适用性,结合型钢与混凝土的共同作用,得出可选用二维数字图像相关法系统采集实验信息并分析实验结果的结论并设计相关实验。
  (2)针对冲击荷载的高应变率和准脆性材料的内部缺陷,选取适当的加载系统与散斑制作方法,介绍动态应变场测量系统,并在此基础上设计整套实验方案,本次实验的目的是研究实心钢管混凝土的裂纹演化规律,其要点为扩展起始点、扩展方式和扩展规律,以及随着速度的提高其扩展方式有何变化。
  (3)将分析数据汇总,从局部变形、变形前期位移场和应变场的不均匀性、变形后期的均匀性等几个方面对试件表面的变形信息进行讨论,得出初始位移场的不均匀影响之后应变和位移、屈服极限前后的应变场变量大体上呈现出先增大后减小再增大的规律、裂纹起始点的位置总与加载速度有关且与混凝土破坏形式有直接关系等结论。
  (4)观察高速图像并比较不同参数条件下的破坏形式差异,得出同种钢管混凝土试件在加载速度不同的情况下裂纹扩展规律,并观测两种壁厚的钢管混凝土试件在同一冲击速度下的裂纹演化,初步分析结果表明,钢管壁厚与冲击速率的增大均会加剧试件的变形,且影响效果十分显著。
  (5)实验结果表明,数字图像相关法满足冲击荷载下脆性材料的力学性质研究条件,对测量材料表面的应变场与位移场有着其他方法不能比拟的优势,本次实验的方案与成果可为进一步研究钢管混凝土断裂形式与工作机理提供合理的思路,并为将数字图像相关法引入工程实际中以便及时监测施工现场、指导施工方法、改进施工工艺奠定基础。
[硕士论文] 朱帅
工程力学 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:乳化炸药曾被认为是一种安全的炸药,然而近年来乳化炸药事故频发,乳化炸药的热分解过程、热分解机理及其热稳定性又受到民爆行业的高度重视。
  为了从本质上了解乳化炸药安全事故频发的原因,深入分析乳化炸药的热分解过程和机理,探究油相材料对乳化炸药热稳定性的影响。本文选用微晶蜡和聚乙烯蜡对复合蜡进行改性,制备3组乳化炸药。尝试性地将热重-气-质联用(TG-GC-MS)测试手段引入到乳化炸药的热分解过程测试和机理研究当中,清楚地测得了乳化炸药的热分解过程,分析了其热分解机理,初步探讨了油相材料对乳化炸药热稳定性的影响,并得到以下结论:
  1.热重-气-质联用(TG-GC-MS)测试技术在多相态、无机混合物——乳化炸药的热分解测试中,能够准确测量出各个温度下试样的质量变化、生成气态产物的种类及各气态产物随温度或时间的变化趋势;能够较好地定性分析乳化炸药的热分解过程和机理。
  2.梯度升温下的热重(TG)测试结果和热重-气-质联用(TG-GC-MS)测试结果均表明:复合蜡、微晶蜡改性和聚乙烯蜡改性的油相制备的乳化炸药在线性升温条件下的热分解过程相似,都存在四个阶段:副分解阶段,热积累阶段,主分解阶段,尾分解阶段。微晶蜡和聚乙烯蜡改性的油相制备的乳化炸药热稳定性较复合蜡有所提高,其中聚乙烯蜡改性的热稳定性更优。
  3.Ozawa、Starink、Vyazovkin-Wight和Tang四种方法与Coast-Redfern模型拟合法的结果吻合;五种方法在乳化炸药试样分解率15~95%阶段的活化能均值:聚乙烯蜡改性>微晶蜡改性>复合蜡;结合热重-气-质联用(TG-GC-MS)测试所得的热稳定性:聚乙烯蜡改性>微晶蜡改性>复合蜡,可知微晶蜡和聚乙烯蜡改性后的复合蜡均提高了乳化炸药的热稳定性,聚乙烯蜡改性后的热稳定性优于微晶蜡改性的结论。与复合蜡相比,添加微晶蜡和聚乙烯蜡进行改性,可降低油相材料的含油率,提高油相材料的滴熔点和运动粘度;使其制备的乳化炸药的油膜强度、热稳定性都有所提高,热分解活化能增大,热分解主体反应向高温方向偏移。
  4.由热重-气-质联用(TG-GC-MS)测试结果,对热分解过程中主要气体产物的产生过程和各气体产物随温度或时间的变化情况进行了定性分析。聚乙烯蜡改性、微晶蜡改性和复合蜡制备的乳化炸药试样均符合Avrami-Erofeev方程,随机成核和随后生长(n=3)机理。
  通过动力学计算,得到乳化炸药体系处于原始状态(a=0)的热分解反应动力学方程;
  1)复合蜡制备的乳化炸药:dα/dt=(3.02×1013/β)exp(-83.19×103/8.314×T)×(1/3(1-α)[-ln(1-α)]-2);
  2)微晶蜡改性的复合蜡制备的乳化炸药:dα/dt=(1.86×109/β)exp(-65.60×103/8.314×T)×(1/3(1-α)[-ln(1-α)]-2);
  3)聚乙烯蜡改性的复合蜡制备的乳化炸药:dα/dt=(7.08×1011/β)exp(-94.48×103/8.314×T)×(1/3(1-α)[-ln(1-α)]-2)。
[硕士论文] 宫婕
工程力学 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:爆炸容器是一类特殊的内高压抗爆容器,能够有效地约束炸药爆炸产生的冲击波,限制爆轰产物及爆破碎片的作用范围,保护实验人员和周围仪器的安全。因此,广泛应用于爆炸材料性能测试、爆炸效应测试、爆炸加工及爆炸销毁等科研、工业和国防军事领域。爆炸容器内部承受较大的冲击载荷以及冲击波的反射叠加作用,其动力学响应研究对于其安全性分析具有十分重要的意义。
  本文针对安徽理工大学自行设计研制的1kg TNT当量椭球封头柱形爆炸容器展开相关研究,主要进行了爆炸容器设计参数计算校核、内爆炸冲击波超压测试、地面振动效应测试以及筒体振动效应测试。具体研究工作及相关结论有:
  (1)针对该爆炸容器,进行设计参数的计算校核。通过入射波超压计算出反射波超压,采用动力系数法将动态载荷转化为等效静载荷,进而应用强度校核理论进行壁厚、最大允许工作压力及应力校核。考虑到爆炸容器长期使用过程中的疲劳损伤和腐蚀裕度,计算校核得出:爆炸容器的椭球封头及简体计算壁厚远小于设计壁厚;最大允许工作压力远大于1kg TNT当量炸药爆炸转化的静载荷压力,该爆炸容器设计安全性较高。
  (2)通过冲击波超压测试系统,改变实验药量,测试不同水平距离处爆炸冲击波压力时程曲线,分析了冲击波传播规律,并采用经典的W.E.Baker公式和K-G公式计算了冲击波超压峰值。实验测试及理论计算结果表明:K-G公式计算值与实验测试值的误差很大,误差范围在70%~80%之间;而W.E.Baker公式计算误差更大,在75%~85%之间。本文根据爆炸相似律原理拟合得出适用于该爆炸环境的超压计算公式:△P=0.1100(R)-1-0.2965(R)-2+0.4668(R)-3。采用该公式计算,误差减小至0.5%~15%之间。
  (3)测试了乳化炸药在爆炸容器内空中及地面两种不同的起爆方式下爆炸引起的周围地面振动效应,分析了装药量及测点距离对于地面振动效应的影响;同时使用HHT方法分析地面振动的频率分布。通过研究发现:爆炸容器内地面爆炸振动速度与装药量和测点距离密切相关,通过最小二乘法拟合得到三者之间的关系式为:v=13.4(3√Q/-R)125。而装药量的增加对于爆炸容器内地面爆炸低阶频率段分布的影响较大,即5~10Hz低阶频率段的振动幅值随药量的增加逐渐增大,振动作用时间逐渐增加;而对于20~60Hz频率段振动幅值影响相对较小。随着测点距离的增加,低阶频率段的能量幅值逐渐减弱,振动作用时间逐渐缩短,与测试波形具有较高的一致性。
  (4)使用加速度传感器采集了爆炸容器内爆炸简体振动加速度信号,通过拟合多项式去除积分趋势项,从而得到有效的时间-速度曲线;使用HHT方法分析振动信号的时频分布,同时结合爆炸容器简体的固有振动频率,分析振动效应对于爆炸容器安全性的影响。分析得出:爆炸容器特殊的“钢板-缓冲隔层-钢板”结构具有一定的安全防护作用,缓冲隔层有效地吸收了爆炸产生的能量,筒体外壁面振动速度信号频率分布较内壁面更为集中,主要分布在0~200Hz的低阶频率段;同时,低阶频率段的作用时间明显缩短,振动频率明显减小,远离爆炸容器简体的固有振动频率。
[硕士论文] 盛弘钊
工程力学 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:静态破碎剂具有性能膨胀高及无噪音、无污染,安全等特点,广泛应用于岩石和混凝土等爆破工程领域中。针对工程中无法控制裂纹方向的问题,本文主要对不同破碎条件的混凝土进行了单孔和双孔静态定向破裂试验,对比分析不同切槽孔试块与无切槽圆形孔的单孔混凝土的裂缝的扩展规律,同时研究了孔距对不同强度等级下(C30、C40、C50)的不同尖角切槽双孔的定向静态破裂影响,通过使用静态应变仪和超声波检测仪来分析混凝土试块的应变变化和裂缝的扩展及其裂缝位置的情况。预留孔为两尖角和四尖角切槽孔,设定180mm、200mm和220mm孔距。得出如下结论:
  (1)单孔定向破裂试验中,以无切槽圆形孔的破裂结果作为对比分析,得出圆形孔裂纹的萌生具有随机性,而尖角切槽孔的裂纹有一定的方向性,沿着尖角的方向扩展,且尖角切槽孔混凝土试块破裂萌生第一条裂缝的时间快于圆形孔混凝土,提前了2-3小时。
  (2)在两尖角切槽孔混凝土试块中,随着孔距的增大,主裂缝的宽度随之减小,产生裂缝的数量也增大,萌生第一条裂缝的时间变长。主裂缝的方向是沿着尖角的方向扩展的,随着混凝土强度的提高,孔距增大到220mm时,尖角切槽的导向效果会随之降低。
  (3)相对于四尖角切槽孔而言,也具有一定的裂缝导向作用,由于最终扩展的裂缝比较多,更适合对试块的破碎。随着混凝土强度的提高,孔距增大到220mm时,导向作用并不明显。
  (4)由波速-时间曲线可以看出,波速的变化综合的反映出裂缝的数量及宽度扩展变化,混凝土试块内部产生裂缝时,超声波波速就开始降低,且衰减的速度和裂缝扩展的宽度成正比,即裂缝扩展的宽度越大,波速值就越小。在同一测点的位置上,裂缝数目增多时,波速也会有所衰减,为尖角切槽具有导向的作用提供依据。
[硕士论文] 史文超
工程力学 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:地铁车辆与轨道系统的耦合振动是一个非常复杂的问题,随着列车运营时间的增长,轨道系统发生损伤或失效在所难免。为系统地分析支承元件损伤或失效对车轨系统耦合振动性能的影响,本文建立了多编组地铁列车-浮置板轨道-衬砌-地基二维耦合动力分析模型,编制Matlab数值求解程序并分析扣件、钢弹簧等支承元件损伤(或失效)对车轨系统动力响应的影响。首先,在本文所建模型和程序的基础上,得到系统振动响应并与现有文献结果进行对比,验证模型和程序的正确性。其次,在考虑浮置板结构之间有剪力铰作用的情况下,研究轨道随机不平顺对车轨系统振动的影响,并基于车轨耦合振动响应分析得到支承元件的优化参数。最后,建立支承元件损伤或者失效情况下的车轨系统振动模型,探讨不同损伤或失效情况对车轨振动性能的影响,以及不同行车速度对损伤车轨系统振动性能的影响。主要研究内容及创新点如下:
  (1)建立多编组地铁列车-浮置板-衬砌-地基的二维耦合动力学模型,运用Matlab软件进行编程数值求解,对比验证了模型和程序的正确性。
  (2)基于所建模型并考虑剪力铰的影响计算有无轨道随机不平顺工况下的车轨系统动力响应,研究轨道随机不平顺谱对车轨系统振动性能的影响。并计算各种支承元件(钢弹簧和扣件)参数组合下车轨的各项振动响应,结合轨道变形要求,通过对比分析得到钢弹簧和扣件的最优参数取值。
  (3)建立钢弹簧损伤下的车轨振动模型,研究钢弹簧损伤数量、损伤程度以及损伤发生位置对车轨系统振动产生的不同影响。并得到了在有钢弹簧损伤时,行车速度变化对车轨耦合振动响应的影响。
  (4)考虑扣件失效对车轨系统振动响应的影响,研究不同的扣件失效数量、扣件失效位置情况下的车轨振动响应的变化,以及扣件失效时不同行车速度下的车轨振动响应。
[硕士论文] 俞国骅
工程力学 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:邻域施工活动会对临近既有盾构隧道产生不利影响。本文探究了基坑开挖、地面堆载、新建隧道下穿和上穿四种工况对旁边既有隧道变形的影响机理,利用Mindlin基本解计算得到基坑开挖、新建隧道上穿和下穿所引起的既有隧道的应力分布以及利用Boussinesq基本解计算得到地面堆载所引起的既有隧道的应力分布,再用“剪切错台模型”简化既有盾构隧道,最后通过积分求得既有盾构隧道的位移值和环间错台量。结果表明:
  1.临近并平行于盾构隧道的基坑侧壁卸荷作用对隧道的水平位移影响最大;盾构隧道水平位移最大值附近的管片之间几乎不发生错台变形;隧道错台量最大值和环间剪切力最大值均发生隧道水平位移曲线的反弯点附近。
  2.在地面堆载作用下盾构隧道纵向变形大致呈正态分布,且影响范围较大;隧道主要产生竖向位移(尤其是沉降),其竖向位移要明显大于水平位移;堆载数值的大小、位置以及堆载与既有隧道之间的相对位置情况对既有隧道的变形都会产生影响。
  3.随着新建下穿隧道的掘进,既有盾构隧道纵向变形大致呈正态分布,中间大、两端小;随着新建隧道开挖,既有盾构隧道的竖向位移量、环间错台量以及环间剪力值都在不断地增大,当新建隧道穿越过既有隧道,掘进至一定距离时,这些值又趋于稳定;土体损失引起的既有隧道沉降量最为明显;新旧隧道的位置及两隧道之间的位置的改变,既有盾构隧道的位移值都会发生相应变化。
  4.新建隧道上穿既有盾构隧道时,既有盾构隧道的变形曲线大致呈“正态分布型”隆起;两条隧道之间的夹角越小,既有盾构隧道变形量就越大,变形影响范围变化较小;同样两隧道之间的位置关系也紧密影响着既有盾构隧道位移值。
[硕士论文] 李成杰
工程力学 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:裂隙复合岩体在地下工程建设中是一种较为常见的围岩体,巷道或硐室的安全可靠离不开围岩的稳定性。而在巷道开挖或使用过程中,裂隙复合围岩体对常常受到的爆破振动或机械扰动特别敏感,出现了巷道围岩的剥落甚至垮塌现象,这严重影响了工程建设的顺利进行。因此,对裂隙复合岩体的力学特性与变形破坏试验研究显得格外重要。本文在对不同组合形式的组合体试件静、动态力学试验基础上,详细探究了不同裂隙参数与冲击速度下裂隙组合体试样的力学与变形破坏特征及能量耗散特性。结论如下:
  (1)通过重塑煤、砂浆单体及组合体基本力学试验,得到了三类试件的强度、弹模、泊松比、抗拉强度等基本力学参数;组合体试件不同位置的径向应变不同;砂浆单体抗拉强度最大,组合体结合面处抗拉强度略大重塑煤单体。
  (2)冲击荷载下试件变形破坏过程可分为弹性变形阶段、非稳定破裂发展阶段及破坏后阶段三个阶段。砂浆单体的峰值应变略小于相同应变率下组合体与重塑煤峰值应变,应变率较低时后两者相近,高应变率时煤单体偏大。
  (3)重塑煤、砂浆单体及无裂隙组合体的峰值应力均随应变率增加呈乘对数关系增加。同种裂隙位置及倾角下,三种裂隙位置组合体试件强度均随应变率的增大而增大;同种裂隙位置及应变率下组合体试件强度在90°时要大于30°和60°时强度,30°与60°时强度大小不定;同种裂隙角度及应变率下,裂隙位于砂浆中时试件强度最大。
  (4)组合体中砂浆部分具有“强度延伸效应”;裂隙对组合体破坏具有诱导作用,不同裂隙位置与倾角组合体试件,其裂隙扩展方式有所差别;较高应变率下组合体的两种组成部分均较为较碎。
  (5)根据重塑煤与砂浆单体的动态应力应变关系,基于朱王唐模型,通过进一步简化改进,建立了一种新型损伤本构模型,拟合发现该模型能够较好反映重塑煤与砂浆单体峰值应力前的应力应变关系。
  (6)分析了各类试件的能量组成与耗散特性。裂隙的倾角与位置影响着试件的吸收能占比与耗散能密度,与无裂隙组合体相比,裂隙位于砂浆中时的试件吸收能占比偏大,位于煤体中时则接近,位于结合面处时偏小,三者差距随裂隙角度增大而减小。同种裂隙倾角下不同裂隙位置组合体试件的耗散能密度随应变率增加差距变大,90°裂隙倾角对组合体试件耗散能密度影响相对较小。裂隙位于煤体中与结合面处时试件的耗散能密度偏小,位于砂浆中时整体上偏大。
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