超高非靜水壓下材料彈性模量及強(qiáng)度的測定

對材料在超高壓下的彈性模量及強(qiáng)度等基本物理量的測定是高壓物理領(lǐng)域內(nèi)長期存在的一個(gè)難題。本項(xiàng)目擬在理論和實(shí)驗(yàn)手段上就解決該難題作出嘗試。我們將采用金剛石壓砧同步輻射徑向X射線高壓原位衍射技術(shù)，對材料在高壓下的體彈模量、切變模量、楊氏模量、及屈服強(qiáng)度進(jìn)行測量。通過這一新型的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段，可在同步輻射X射線能量分辨衍射模式下, 獲取金剛石壓砧單軸壓縮應(yīng)力場內(nèi)樣品晶面組在不同空間取向的應(yīng)變，并利用Singh等發(fā)展的晶格應(yīng)變理論及本項(xiàng)目申請人最近發(fā)展的關(guān)于材料在非靜水單軸壓應(yīng)力場中最大宏觀差應(yīng)力與最大微區(qū)偏應(yīng)力的關(guān)系理論，導(dǎo)出材料所對應(yīng)的靜水壓壓縮曲線、屈服強(qiáng)度、及各彈性模量。若此方法的可行性得以驗(yàn)證，將是高壓物理領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)突破，并可廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理學(xué)、地學(xué)、行星科學(xué)及國防科學(xué)等領(lǐng)域。

300米級高混凝土壩在靜載下壩體均有不同程度的裂縫存在，在高水壓和強(qiáng)烈地震作用下這些裂縫有可能會(huì)進(jìn)一步開裂擴(kuò)展，甚至發(fā)生斷裂破壞，極大地影響高混凝土壩的安全性。本項(xiàng)目針對動(dòng)載及高水壓下混凝土非均質(zhì)材料的擴(kuò)展機(jī)制開展研究，主要圍繞動(dòng)載及高水壓下混凝土裂縫面水力劈裂效應(yīng)力學(xué)作用機(jī)制、非均質(zhì)混凝土材料裂縫動(dòng)態(tài)擴(kuò)展模擬的新方法和動(dòng)載及混凝土水力劈裂擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制開展工作。 構(gòu)建了可考慮孔洞、夾雜以及微裂紋等多重不連續(xù)存在時(shí)的擴(kuò)展有限元法位移模式，建立了有限體積法和擴(kuò)展有限元法的耦合模型，對動(dòng)載下混凝土水力劈裂試件進(jìn)行系列數(shù)值模擬，取得了與試驗(yàn)較為一致的結(jié)果，得出了動(dòng)載下不同時(shí)刻裂縫面水壓分布，研究了裂紋面水壓力的分布形式對裂紋斷裂擴(kuò)展路徑的影響；發(fā)展了基于四叉樹網(wǎng)格的新型比例邊界有限元法，建立了有限體積法和比例邊界有限元法的耦合模型，并首次對比例邊界有限元法求解裂紋面接觸問題進(jìn)行了研究。在水力劈裂試驗(yàn)方面， 針對常用的環(huán)氧樹脂膠密封裝置存在的缺陷，研制了新型的水力劈裂實(shí)驗(yàn)的密封裝置，并成功進(jìn)行了多組水力劈裂試驗(yàn)。 通過研究，建立了動(dòng)載及高水壓下混凝土裂縫開裂擴(kuò)展過程追蹤的理論模型和方法，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)載及高水壓下混凝土裂縫起裂、擴(kuò)展、失穩(wěn)過程的精確模擬；研制了有效的動(dòng)載及高水壓下混凝土斷裂擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)裝置，基于有關(guān)試驗(yàn)建立了不同加載速率下縫內(nèi)水壓模型，有效揭示了動(dòng)載下混凝土水力劈裂效應(yīng)的作用機(jī)制。 研究成果共發(fā)表研究論文20篇，其中SCI檢索論文8篇，出版專著2部。獲授權(quán)發(fā)明專利3項(xiàng)。培養(yǎng)博士（碩）研究生6名。部分成果獲云南省科技進(jìn)步獎(jiǎng)1項(xiàng)。研究得到的有關(guān)成果受到有關(guān)國際同行的好評。試驗(yàn)得到的不同沖擊加載速率下（縫口張開速率）縫內(nèi)水壓分布與擴(kuò)展規(guī)律已引起國內(nèi)外多個(gè)高校課題組的興趣，多個(gè)國外高校有關(guān)課題組(Universityof Illinois,USA)來信咨詢有關(guān)試驗(yàn)方法并索要有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，目前試驗(yàn)成果已提供英國Durham University Charles Augarde教授等課題組作為數(shù)值模型驗(yàn)證。 2100433B

建立動(dòng)載及高水壓下混凝土裂縫內(nèi)水壓力分布的預(yù)測模型；發(fā)展動(dòng)力擴(kuò)展有限元法的理論和方法模擬非均質(zhì)混凝土材料裂紋動(dòng)態(tài)開裂擴(kuò)展過程，重點(diǎn)包括：骨料相、砂漿相、界面相、孔隙相和裂紋面等復(fù)雜界面存在時(shí)擴(kuò)展有限元富集函數(shù)的構(gòu)建方法、不連續(xù)處的數(shù)值積分技術(shù)、裂紋的張開-閉合處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)載及高水壓下混凝土裂縫起裂、擴(kuò)展失穩(wěn)過程的精確模擬；研制有效的動(dòng)載及高水壓下混凝土斷裂擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)裝置并開發(fā)先進(jìn)的測試技術(shù)，為有壓混凝土裂縫內(nèi)水壓分布的預(yù)測模型及裂縫開裂擴(kuò)展模擬的數(shù)值模型的合理性提供可靠的依據(jù)。研究成果對揭示動(dòng)載下有壓混凝土水力劈裂效應(yīng)的作用機(jī)制，正確認(rèn)識(shí)動(dòng)載及高水壓下有縫混凝土結(jié)構(gòu)的斷裂特性和動(dòng)力破壞機(jī)理有重要的意義。