中文名 | 動(dòng)載及高水壓下混凝土非均質(zhì)材料開裂擴(kuò)展機(jī)制研究 | 項(xiàng)目類別 | 面上項(xiàng)目 |
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項(xiàng)目負(fù)責(zé)人 | 杜成斌 | 依托單位 | 河海大學(xué) |
300米級(jí)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(guó)際同行的好評(píng)。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(guó)內(nèi)外多個(gè)高校課題組的興趣,多個(gè)國(guó)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(guó)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(cè)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(cè)試技術(shù),為有壓混凝土裂縫內(nèi)水壓分布的預(yù)測(cè)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(duì)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。
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基于SLS成型的非均質(zhì)材料零件是一種變密度材料零件。預(yù)熱溫度和激光能量是影響SLS成型零件燒結(jié)密度的主要因素。通過實(shí)驗(yàn)調(diào)整預(yù)熱溫度和激光能量的參數(shù),然后用MATALB對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,得到燒結(jié)密度數(shù)學(xué)模型,達(dá)到對(duì)基于SLS成型的非均質(zhì)材料零件燒結(jié)密度進(jìn)行控制的目的。
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為了解決非均質(zhì)材料零件設(shè)計(jì)中幾何特征和材料特征的耦合問題,提出了一種基于可行方向法和遺傳算法的幾何和材料的并行設(shè)計(jì)方法。通過設(shè)定關(guān)鍵點(diǎn)來表示不斷變化的零件幾何特征,引入虛擬節(jié)點(diǎn)以描述其材料特征,構(gòu)建非均質(zhì)材料零件幾何和材料并行設(shè)計(jì)的優(yōu)化模型。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中,關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)增量采用可行方向法求解,虛擬節(jié)點(diǎn)的材料體積分?jǐn)?shù)增量通過遺傳算法獲得,兩種優(yōu)化算法交替迭代,便得到了零件幾何形狀和材料分布的組合最優(yōu)解。采用該方法設(shè)計(jì)了一個(gè)非均質(zhì)材料的等溫器具,通過有限元技術(shù)對(duì)其溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬和分析,并利用ANSYS軟件對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,從而說明了該方法的有效性和實(shí)用性。
本項(xiàng)目擬發(fā)展和完善擴(kuò)展有限元的理論和方法觀察地震及高水壓下混凝土壩的斷裂行為。項(xiàng)目主要研究?jī)?nèi)容包括:(1) 地震下混凝土壩裂縫內(nèi)水壓作用機(jī)制研究;(2) 地震往復(fù)荷載下混凝土壩有壓裂縫面閉合時(shí)的接觸問題研究;(3) 地震及高水壓下混凝土壩裂縫開裂擴(kuò)展路徑的預(yù)測(cè)模型研究。通過這些研究,構(gòu)建動(dòng)載下裂縫內(nèi)水壓分布規(guī)律的預(yù)測(cè)模型,建立有效的往復(fù)荷載下裂縫張開-閉合的數(shù)值處理方法以及確定動(dòng)載下裂縫開裂擴(kuò)展的判別準(zhǔn)則,實(shí)現(xiàn)地震及高水壓下混凝土壩裂縫開裂擴(kuò)展全過程的精確模擬。研究成果對(duì)揭示地震動(dòng)荷載下混凝土壩內(nèi)裂縫的水壓作用機(jī)制及正確認(rèn)識(shí)地震及高水壓下混凝土壩斷裂破壞機(jī)理有重要的意義。
非均質(zhì)性是一個(gè)地質(zhì)學(xué)名詞。
水文地質(zhì)學(xué)中指在滲流場(chǎng)中巖層內(nèi)各點(diǎn)的滲流系數(shù)隨空間坐標(biāo)而變化的性質(zhì)。表征巖層透水性與空間坐標(biāo)的關(guān)系。具此性質(zhì)的巖層稱“非均質(zhì)性巖層”。反之,巖層內(nèi)各點(diǎn)都具有相同的滲流系數(shù),則稱為“均質(zhì)性”,巖層稱“均質(zhì)巖層”。均質(zhì)和非均質(zhì)是相對(duì)的,自然界中沒有絕對(duì)均質(zhì)的巖層。均質(zhì)性2100433B
預(yù)估非均質(zhì)流漿體的水力坡度只限于在實(shí)際工程中常常遇到的紊流情況。這種計(jì)算主要建立在實(shí)驗(yàn)和重力理論的基礎(chǔ)上 。2100433B