数字图像相关法测定岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹应力强度因子

提出了一种通过数字图像相关方法测定岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹尖端位置和应力强度因子的试验方法。试验通过数字图像相关方法测定裂纹尖端区域位移场数据,将位移场数据带入极坐标系下位移场方程,计算裂纹尖端位置和应力强度因子。试验结果表明:采用该方法可以准确的测定岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹应力强度因子、裂纹尖端位置及裂纹扩展长度,解决了以往研究方法因不能准确测定裂纹尖端位置和扩展方向,而无法准确测定岩石应力强度因子的难题。

Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝应力强度因子和应变能释放率的关系

为了探究复合型裂缝的应力强度因子K和应变能释放率G的关系,基于最大应力准则,采用能量法对Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝的扩展进行理论分析。根据单一型裂缝应力强度因子和应变能释放率的关系,推导出Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝K与G的关系公式,利用Abaqus软件建立Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝的有限元模型,计算Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝的应力强度因子和应变能释放率,与推导公式的计算结果进行对比,二者误差仅为2.5%,验证了推导公式的合理性。

基于ANSYS的Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝应力强度因子计算

坝踵Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝是否危及坝体安全,可以通过计算缝端应力强度因子用断裂判据判断裂缝稳定性来分析。由于计算前不能确定裂缝处于压剪还是拉剪状态,可以先用ANSYS软件算出缝端网格群奇异单元缝岸上三个结点在局部坐标下的位移分量,然后代入相应的公式算出应力强度因子。实例计算结果较为合理,为Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝应力强度因子计算提供了一个合理的计算方法。

Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型裂缝应力强度因子与能量释放率的关系

基于断裂力学理论,应用复合型断裂判据中的最大周向应力判据和最大拉应变判据,以单一型裂缝应力强度因子K与能量释放率G的关系为基础,推导出Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型裂缝应力强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ、K_Ⅲ与能量释放率G_(Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ)关系公式;并应用有限元软件进行Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型裂缝的有限元模拟,模拟值与理论值之间相差为1.14%,拟合良好,分析验证了复合型裂缝应力强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ、K_Ⅲ与能量释放率G_(Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ)关系公式的合理性。

热解炭涂层Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的应力强度因子分析

为了研究人工心瓣热解炭涂层在生产加工等过程中可能出现的微小裂纹,采用ABAQUS有限元分析软件对人工心瓣热解炭涂层裂纹的应力强度因子进行仿真分析。结果表明:在裂纹数量不变的情况下,边缘裂纹和中心裂纹的Ⅰ型应力强度因子随裂纹倾斜角和裂纹长度的增加而增大,当裂纹倾斜角不为0°和90°时,边缘裂纹和中心裂纹的Ⅱ型应力强度因子随裂纹长度的增加而增大;在裂纹倾斜角不变情况下,随着裂纹数量的增加,边缘裂纹和中心裂纹的Ⅰ,Ⅱ型应力强度因子曲线分别重合,且均小于单条裂纹情况下的Ⅰ,Ⅱ型应力强度因子。

Ⅰ、Ⅱ型及复合型裂纹动态应力强度因子的有限元分析

对含有预制裂纹的中心穿透裂纹板和三点弯曲试样在动态载荷作用下进行了有限元模拟。前者裂纹面与载荷作用方向的夹角取15°～90°之间的6种情况，后者按纯Ⅰ型和纯Ⅱ型两种方式进行加载。得到了Ⅰ型和Ⅱ型动态应力强度因子的时间历程，并研究不同裂纹角对动态复合比的影响。结果表明：中心穿透裂纹板试样在15°和90°两种情况下KⅡ（t）和KⅠ（t）分剐占主导成分；45°时KⅠ（t）和KⅡ（t）基本相同；随着裂纹面与载荷夹角的增加KⅠ（t）呈增加趋势而KⅡ（t）呈先增加后减小趋势。三点弯曲试样按纯Ⅰ型加载时KⅡ（t）基本为零，按纯Ⅱ型加栽时KⅠ（t）幅值随时间而增加。

光弹性五参数法确定Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹应力强度因子

在考虑远场非奇异应力σox、σoy、τ0 影响的基础上 ,建立了 - 混合型裂纹应力强度因子与等差线条纹上点的极坐标间的非线性方程 ,为通过该方程确定应力强度因子 ,将θ=0及θ=π/2两极轴与三等差线条纹交点的坐标先后代入方程 ,并利用差分法得到了一种光弹性法确定 - 混合型裂纹应力强度因子的五参数法。作为实例 ,本文测定了环氧树脂及聚碳酸脂在不同载荷、不同裂纹条件下的应力强度因子 ,并将所得结果与相应的理论计算值及三参数法的结果进行了比较 ,发现本文提出的五参数法确定 - 混合型裂纹应力强度因子的方法 ,充分反映了远场非奇异应力的影响 。

混凝土Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹应力强度因子的探讨

混凝土结构断裂破坏的应力强度因子研究是领域近几十年来一个十分重要的内容。本文阐述了基于Irwin的Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹断裂应力强度因子计算,讨论了断裂过程的混凝土复合型断裂周向应力判据,与试验机模拟软件结果对比认为低强度的混凝土的应力场较为符合KⅠ和KⅡ之间的规律。

应力比对铝钢复合材料界面Ⅰ型裂纹应力强度因子的影响

以铝钢复合材料的Ⅰ型界面裂纹为研究对象,运用节点位移外推法求解复合材料Ⅰ型界面裂纹的应力强度因子,得到的应力强度因子通过节点位移表示.对应力强度因子进行有限元数值模拟,研究应力比和应力强度因子之间的关系.研究结果表明:在同一应力比条件下,应力强度因子随裂纹尺寸比的增大而增大;在同一裂纹尺寸比条件下,应力强度因子随应力比的增大而增大.

Ⅰ-Ⅱ复合型尖V形切口脆断准则

基于最大周向应力和Seweryn-Novozhilov准则,用线弹性奇异应力场,给出Ⅰ-Ⅱ复合型尖V形切口的脆性断裂准则;并把裂纹作为切口张角为零的V形切口,这样就把V形切口问题与裂纹问题的断裂准则统一起来.为了验证该准则,本文采用有机玻璃板材加工多种V形切口试件进行了拉伸实验;同时,应用该准则对文献[16]中复合载荷下双边切口试件进行了起裂方向和临界载荷预测,并与其实验结果相比较.结果表明,本文所给出的Ⅰ-Ⅱ复合型尖V形切口脆性断裂准则与实验是相吻合的,适合于实际工程应用。

受压脆性岩石Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹水力压裂研究

在线弹性断裂力学理论的基础上,运用最大周向拉应变理论,分析了受远场地应力作用及裂纹面受水压力作用下脆性岩石裂纹的起裂方向及起裂条件。论述了泊松比μ对开裂角θ0,θ0-β关系以及断裂包络线的影响,给出了满足最大周向拉应变理论的Ⅰ-Ⅱ复合型断裂包络线;定义水力压裂裂纹扩展影响因子D并分析其对水力压裂裂纹起裂及扩展的影响,D值逐渐增大时,KⅡ逐渐减小,KⅠ逐渐发挥主导作用,与数值计算结果一致;最后进行实例分析,并与现场水力压裂结果比较,二者结果比较接近。

复合型裂缝应力强度因子与能量释放率的关系

基于断裂力学理论和最大应力准则,结合单一型裂缝应力强度因子K与能量释放率G之间的关系和能量法,推导出Ⅱ-Ⅲ复合型裂缝K与G的关系公式;通过有限元软件对Ⅱ-Ⅲ复合型裂缝进行模拟,计算出Ⅱ-Ⅲ复合型裂缝的应力强度因子和能量释放率。模拟值与理论值之间的相对误差为4.44﹪,在允许范围内,验证了公式的合理性。

Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝断裂角剪滞方法

建立了混凝土等准脆性材料的Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝在单向拉伸荷载作用下断裂角的修正剪滞模型,得到了与试验相吻合且优于传统S判据的断裂角．合理简化了复合型裂缝试样的力学边界条件,得到了裂缝体各剪滞子层位移分布函数的解析表达式．引用一种所谓的最大应力集中因子的概念,对Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝前缘应力场进行了简化描述．得到了复合裂缝断裂角的解析解．根据斜裂缝体的应力分布概况,设置不同的子层分区,得到了更为细化的子层位移分布模式．通过对计算数据的分析,提出了合理的按应力场分区设置子层的剪滞分析模型,从而得到了更为精确的斜裂缝断裂角．新方法的计算结果与试验结果除个别外的相对误差小于4％,均小于S判据,显示算法的卓越性．

Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹J积分计算

采用3点弯试件,运用有限元分析软件ANSYS对复合型裂纹尖端J积分进行计算。通过应力强度因子KⅠ、KⅡ与J积分之间的关系对计算结果进行比较,验证了断裂参量之间的相互关联性。对不同网格划分情况下J积分的计算结果也进行了对比。结果表明,网格划分对计算结果没有影响,如果仅计算J积分值,裂纹尖端不必采用奇异单元划分网格。

Ⅰ-Ⅱ型裂纹发展的剪应力准则研究

将Ⅰ-Ⅱ型裂纹表面的剪应力引入裂尖应力强度因子的计算,获得了含中心闭合裂纹在不同裂纹长度、倾角以及摩擦系数下裂纹尖端的应力强度因子值。引入等径向剪应力线rτθ这一概念,在预测裂纹发生临界扩展时提出以下两个假设:闭合裂纹将沿着等rτθ线上双剪应力和最小的方向扩展;裂纹尖端的应力强度因子KⅡ达到材料的临界值KⅡC,裂纹将开始扩展;建立了Ⅰ-Ⅱ型闭合裂纹的剪应力准则。利用所建立的断裂判据计算求得的临界起裂角cθ与各种经典复合型断裂准则计算裂纹起裂角的结果较为接近,将其应用于Ⅰ-Ⅱ型裂纹的断裂判定是安全的。

Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹对脆性岩石受压破坏的影响

脆性岩石内部的细观裂纹是导致其失稳破坏的重要因素之一,基于细观机制研究岩石受载后微裂纹的扩展、贯通有着重要的意义。脆性岩石内部主要存在Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹,目前该复合裂纹的扩展、贯通对岩石受压产生失稳破坏的影响研究相对较少。依据最大周向拉应力准则,结合拉剪复合作用下的Ⅱ型裂纹强度因子将Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹的强度因子表达式作了变换,得到了受裂纹参数影响的Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹的强度因子表达式Ke,并通过裂纹强度因子与裂纹扩展之间的关系式得到了受Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹参数影响的应力与裂纹扩展长度的关系式,再结合损伤-应变关系推导出受其裂纹参数影响的应力-应变关系式。通过对比大理岩的常规三轴实验结果,发现二者比较吻合,充分验证了该模型的合理性。结果表明,岩石的承载力随着岩石内部初始损伤、裂纹尺寸以及翼型裂纹长度的增大而减小,随着裂纹间摩擦系数的增大而增大。并且在相同轴压的情况下,随着围压的增大,裂纹扩展长度减小,说明围压有效地遏制了岩石内部裂纹的扩展、贯通。从细观力学的角度解释了Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹参数对岩石承载能力的影响,并将裂纹开裂角考虑到了其中,为从细观机制方面研究岩石的受压破坏提供了一定的参考。

类岩石脆性材料非闭合裂纹的Ⅰ–Ⅱ压剪复合型断裂准则研究

实际工程中,结构体裂纹常处于拉剪和压剪复合受力状态,研究适合于复合型裂纹的断裂准则和裂纹扩展机理具有重要的理论意义和实用价值。以Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹为研究对象,基于线弹性理论,在考虑裂纹几何特征及受力形式的基础上,系统介绍了裂纹应力强度因子(SIF)的理论解。提出了适用于Ⅱ型断裂的径向剪应力准则和双剪应力准则。对于Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹,提出用等效Ⅰ、Ⅱ型SIF比值与Ⅰ、Ⅱ型断裂韧度比值的关系判定裂纹断裂类型,并分别选择适合于Ⅰ、Ⅱ型断裂的断裂准则,计算了裂纹断裂扩展理论角度。理论断裂角与预制非闭合裂纹类岩石脆性材料压剪断裂试验结果符合得较好。

热疲劳斜裂纹应力强度因子有限元分析

用有限元方法和最大周向应力准则计算了热疲劳斜裂纹的应力强度因子和开裂角的周期变化规律.计算表明:在加热过程中,模型内产生压缩热应力,使两裂纹面相互挤压、错开;由于加热过程生成的压缩塑性变形不能自由恢复,在降温过程的后期产生拉应力使裂纹张开;热疲劳斜裂纹在加热过程以及降温过程的前期是纯Ⅱ型,KⅡ在加热过程结束时达到最大值,在降温过程的后期是Ⅰ,Ⅱ复合型,降温过程结束时KⅠ,Ke达到最大值,裂纹在此时最易开裂.

I-II复合型裂缝断裂角的分层剪滞模型与分析

采用修正的剪滞理论建立了岩石、混凝土等准脆性材料的I-II复合型裂缝在单向拉伸荷载作用下的计算模型,得到了与实验相吻合且优于传统S判据的断裂角。通过对远场应力、斜裂缝区应力以及子层位移的合理简化,得到了求解剪滞分析模型的边界条件,进而得到了含斜裂缝的各子层位移分布函数。引入最大应力集中因子,对I-II复合型裂缝前缘应力场进行简化;基于斜裂缝沿最大应力集中因子方向扩展,得到裂缝的断裂角。根据斜裂缝的应力分布,设置不同的子层分区,得到了更为细化的位移分布模式。通过对计算数据的分析,针对单向拉伸荷载作用下的I-II复合型裂缝,建立了按应力场分区设置子层的分层剪滞模型,得到更为精确的斜裂缝断裂角。

碳纤维-钢复合结构不同粘结界面对ΔKⅡ影响的仿真研究

为研究不同粘结界面对应力强度因子幅ΔKⅡ的影响,利用Abaqus有限元软件,基于粘聚区模型(CZM),建立碳纤维布(CFRP)-H型钢复合结构的有限元模型,采用四点弯加载,模拟了Ⅱ型断裂模式下三种粘结界面(刻槽/Kevlar、刻槽/Kevlar/多壁碳纳米管(MWCNT)和喷砂/MWCNT)的损伤情况,得到复合结构ΔKⅡ与Y向位移载荷的曲线。结果表明:仿真结果与理论结果一致,不同粘结界面的增强效果不同,界面粘结强度越高,ΔKⅡ值减小越明显,刻槽/Kevlar/MWCNT界面增强效果最佳,仿真结果为后续试验研究提供参考。