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复合型裂纹脆性断裂的最小J_2准则

实际工程的结构中,裂纹多处于复合型状态,因此复合型裂纹断裂的理论研究有着更为重要的理论意义和实用价值。本文以Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹为研究对象,将偏应力张量的第二不变量2J作为判定依据,预测了裂纹起裂的角度以及开裂荷载,并与一些实验数据进行了比较,符合得也较好。计算结果进一步表明了在裂纹起裂引起的应变能转化过程中,起主要作用的是形状改变比能这一事实,由此得出了另一个结论是在裂纹尖端,平行于裂纹方向的应力级数展开式中非奇异项对裂纹的开裂角度以及开裂荷载是有影响的。

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。

基于Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹破坏模式的条带矿柱破坏宽度研究

采用条带法进行地下开采时,条带矿柱的裂纹扩展导致了矿柱的最终破坏,且裂纹多表现为Ⅰ型裂纹与Ⅱ型裂纹复合扩展破坏特征。根据采场矿柱受力条件,确定条带矿柱受两侧采场空区影响时矿柱内Ⅰ-П复合型裂纹尖端的Westergaard应力函数,采用HoekBrown强度准则计算采场作业面围岩破坏区的边界条件,建立了矿柱破坏宽度计算模型。以上横山页岩矿床为研究对象,采用物理相似模拟试验,模拟条带法回采某盘区3个试验区段,利用DIP法分析受地应力及回采扰动作用下矿柱的裂纹发育特征,验证模型的有效性。结果表明,条带及其条带矿柱均为15 m等设计参数条件下,计算模型矿柱破坏宽度理论值分别为17.66 m、15.56 m和10.28 m,试验模拟结果分别为完全大于15 m、约为15 m和10.5~11.0 m,试验结果与依据模型计算的理论值相近。

Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹开裂角准则的评价

目前对Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹开裂角的研究已有许多种不同的判定准则。文中将各种不同的判定准则与实验结果进行分析比较发现,李中华等根据钝裂纹尖端应力场解,将控制断裂的物理量最大切向应力σθmax定义在裂纹尖端裂纹面上,获得一个新的复合型裂纹断裂准则,该准则不但物理意义明确、表达简捷,而且较其他准则更符合可收集到的实验数据。从而得到工程中比较简单实用的断裂准则。

混凝土梁中Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹研究

通过研究混凝土梁中Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹尖端的应力场,给出了裂纹尖端塑性区范围,运用最大拉应力作为断裂判据,推测了混凝土梁中含复合裂纹的裂纹扩展时的临界条件和扩展方向。

超密实沥青混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展研究

为了研究低温地区超密实型沥青混凝土内部Ⅰ-Ⅱ复合型微裂纹扩展规律,基于Eshelby等效夹杂理论和最大周向应力断裂准则,建立了当复合型裂纹发生失稳型扩展时其内部微裂纹偏转角β与应力场之间的关系,并确定了扩展方向;建立沥青混凝土细观离散元模型,考虑沥青混凝土的黏弹性,分析了内部微裂纹β对复合裂纹扩展的影响规律.研究结果表明:对二维平面问题,β的变化主要引起裂纹在沥青混凝土中分布状态的变化,在极大程度上造成了沥青混凝土的宏观有效弹性模量和剪切模量在时域内的减小;在常荷载作用下,β的增大造成了宏观裂纹孕育和扩展历程的缩短,还致使复合型裂纹由Ⅰ型裂纹逐渐转变为Ⅱ型裂纹;β的增大不仅使裂尖域内应力场发生一定偏转,而且导致裂尖域内应力场和衰坏区的减小.

K_Ⅰ和K_Ⅱ等值条件下Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的边翼分叉和偏折

利用奇异应力边界多裂纹开裂的几何模型,研究了应力强度因子K_Ⅰ和K_Ⅱ等值情况下的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹复杂开裂行为,给出了边翼分叉开裂和折裂对应的能量释放率、能量型开裂驱动力、临界开裂角或临界应力强度因子。通过此方法预计的临界折裂角理论值与已有的文献中2024-T3铝合金试样实验值吻合,与En3B低碳钢和一定条件下的铝试样最大偏差为8.9%。

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。

双轴载荷下Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹构件失效评定图(FAD)研究

通过理论分析和双轴向断裂试验，研究了我国压力容器常用钢16MnR所制成的含中心穿透Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹十字形板试样的断裂性能，探讨了英国中央电力局（CEGB）R6法和美国电力研究所（EPRI）工程估算方法在双轴载荷下Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹构件的失效评定图，作出了经双向载荷和裂纹倾角修正含缺陷结构结构安全裕度的失效评定图，提出 了一种双轴载荷下Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹构件完整性评定方法。

压载荷下Ⅰ-Ⅱ复合型中心裂纹板弹塑性屈曲载荷研究

为了研究含裂纹结构承载能力,采用有限元方法建立压载荷下Ⅰ-Ⅱ复合型中心裂纹板模型,计算裂纹板弹塑性屈曲载荷,讨论相对裂纹长度(a/w)、裂纹倾角(θ)、板宽(w)、板厚(t)、边界条件对弹塑性屈曲载荷及其变化规律的影响。对于上下夹持中心裂纹板,随着裂纹长度和裂纹倾角的增大,板宽越大,中心裂纹板屈曲载荷对裂纹越敏感,中心裂纹板承载能力受到裂纹长度和裂纹倾角的影响越明显。弹塑性屈曲载荷随着板厚的增大而增大,并且随着裂纹倾角的增大,板厚越大,屈曲载荷的下降程度越显著。上下简支中心裂纹板与上下夹持中心裂纹板的屈曲载荷变化规律基本一致,且上下夹持中心裂纹板的屈曲载荷显著大于上下简支中心裂纹板的屈曲载荷。给出不同边界条件下弹塑性屈曲载荷与相对裂纹长度、裂纹倾角的回归关系式。通过中心裂纹板弹塑性屈曲试验发现,采用压缩力学性能计算弹塑性屈曲载荷更接近试验结果,试验屈曲载荷的变化规律与有限元模拟计算结果一致。研究结果对含裂纹结构的承载能力评价具有参考价值。

亚高温裂隙气-汽压作用下岩石近表Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹起裂研究

我国西南地区隧道近表围岩长期处于亚高温、高湿环境,易产生湿热病害。围岩裂隙水汽化会产生裂隙气-汽压,影响裂纹起裂强度及扩展路径。为研究亚高温裂隙气-汽压岩石裂纹起裂机制,基于裂隙气体状态方程及线弹性断裂力学理论,推演了远场压剪应力和裂隙气-汽压共同作用下岩石裂纹起裂模型及应力强度因子计算公式,提出压剪复合应力状态下的起裂准则及起裂强度和临界起裂角的计算方程,分析裂纹尖端周向应力分布规律及起裂特征,讨论各参数对起裂强度及临界起裂角的影响。结果表明:裂隙气-汽压受温度和气体饱和度共同控制,温度占主导因素;在低、高裂纹倾角时,K_(Ⅰ)远大于K_(Ⅱ),裂纹以张拉起裂为主,裂隙气-汽压起促进作用;裂纹倾角处于15°~75°范围,K_(Ⅰ)和K_(Ⅱ)较为接近,裂纹以压剪复合起裂为主,裂隙气-汽压起抑制作用;裂纹尖端周向应力呈正弦式分布,最大周向应力随裂隙气-汽压增大而减小,临界起裂角随裂隙气-汽压增大而增加;随温度增加或气体饱和度增加,起裂强度减小,临界起裂角增加;理论计算与室内试验结果吻合较好。研究结果为亚高温高湿环境下隧道近表围岩裂纹扩展分析提供理论依据。

T应力对Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展的影响

利用最大周向正应力判据MTS重新分析研究了脆性破坏的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展,其中考虑了平行于裂纹方向的非奇异项T应力。以平板中的斜裂纹处于双向受力为研究对象,通过两个方向力的不同组合以及裂纹与受力方向的夹角变换得到包括纯I型和纯II型在内的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹,分析了T应力对裂纹扩展方向以及断裂时的应力强度因子的影响,并将预测结果与现有的实验数据进行了比较。在此基础上,给出了不同T应力条件下通用的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展条件,可用于给定几何试件的脆性断裂判定。分析结果表明:裂纹尖端非奇异项T应力对裂纹扩展的影响是不可忽略的,尤其是对II型断裂的影响更为明显。

用Westergaard应力函数求解Ⅰ-Ⅱ复合型平面裂纹问题的研讨

直接获得Ⅰ-Ⅱ复合型平面裂纹问题裂纹尖端区域的应力场是一个比较复杂的问题,在此应用Westergaard应力函数求解Ⅰ-Ⅱ复合型平面裂纹问题,导出了裂纹尖端区域应力分量的表达式。该方法推导过程简单,物理概念清晰,其结果与一般断裂力学教材和文献中的结果一致。同时,应用叠加原理将裂纹面上的作用力转化为裂纹外边界的受力,给出了解决裂纹面上有作用力的Ⅰ-Ⅱ复合型平面裂纹问题的解题方法。

国产HTPB复合固体推进剂Ⅰ-Ⅱ型裂纹断裂性能实验研究

采用WDN-10KN材料实验机对含Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的HTPB复合固体推进剂进行了拉伸速率为2mm.min-1的单轴拉伸试验,用摄像机记录了推进剂裂纹扩展至断裂的整个过程。得到了六种不同裂纹倾斜角下的力-变形曲线及裂纹扩展开裂角和断裂载荷。与T断裂准则、S断裂准则和σθ断裂准则进行比较,结果表明推进剂裂纹扩展开裂角与T断裂准则的数值计算结果较为接近,说明可以借助于T断裂准则对推进剂裂纹扩展的初始开裂角进行初步的理论预测。

Ⅰ-Ⅱ复合型唇形裂纹尖端塑性区分析

本文采用保角变换方法,建立了拉伸载荷下Ⅰ/Ⅱ复合型唇形裂纹的扩展模型,基于Irwin小屈服等效假设,建立了拉伸载荷下Ⅰ-Ⅱ复合型唇形裂纹尖端塑性扩展区模型,得到了唇形裂纹尖端塑性区Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子的表达式、基于该模型,进一步得到了唇形裂纹尖端延长线上的应力分布,并建立拉伸仿真模型,将唇形裂纹尖端应力分布理论解与弹塑性仿真解以及线弹性仿真解进行对比,研究结果表明:基于Irwin小屈服等效假设修正后的唇形裂纹尺寸会变大,唇形裂纹等效应力强度因子变大;唇形裂纹的形状参数的改变会对塑性区产生影响,相同宽长比情况下,半长越大,塑性区尺寸越大,相同半长情况下,宽长比越大,塑性区尺寸越小,且伴随唇形裂纹倾斜角越大,塑性区尺寸也会相应增加;基于Irwin小屈服等效假设的唇形裂纹尖端塑性修正理论与塑性有限元仿真具有较好的一致性,伴随唇形裂纹倾斜角增加,裂纹尖端的应力水平降低,一方面,这是由于裂纹扩展形式由Ⅰ型向Ⅰ-Ⅱ复合型的转变造成的影响,另一方面,对于大倾斜角情况下,唇形裂纹腹部出现应力屈服现象,对唇形裂纹裂纹尖端的应力集中产生分担的影响,造成裂纹尖端应力水平的降低.

基于表观断裂韧性的Ⅰ-Ⅱ型复合断裂准则分析

以Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹结构为研究对象,对紧凑拉伸剪切试样(CTS)的剩余强度及开裂方向进行了理论分析及试验研究,推导出了仅与CTS结构加载角度相关的破坏载荷公式,并建立有限元模型(FEM),获取结构的表观断裂韧性值,试验验证了模型的可行性。通过对比不同断裂准则在开裂角、临界载荷及复合断裂韧度方面的工程适用性,表明基于von Mises应力的复合型断裂准则更有利于工程分析,为结构的承载能力评估提供了技术支持。

正交异性板复合型裂纹相对周向应力断裂准则

采用相对周向应力为断裂参数 ,提出正交异性板任意方向的Ⅰ Ⅱ复合型裂纹的最大相对周向应力断裂准则 .应用本准则确定开裂方向角时 ,能较合理地考虑材料特性的影响 .

复合型裂纹扩展过程的温度场分析

针对实际工程结构中广泛存在的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹,以有限元软件ANSYS为平台,采用能量释放率准则作为判定依据,模拟了复合型裂纹的扩展路径;将裂纹扩展过程中裂尖前面耗散的塑性功视为内热源,采用热-力耦合方法,分析了扩展过程中的裂尖温度场变化,讨论了预制裂纹角对裂尖起裂塑性区和起裂温度的影响。通过与红外热像仪记录的实验结果进行对比,发现有限元模拟结果与实验结果一致。

A7085铝合金Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展及其数值模拟

为探究不同加载角度下A7085铝合金Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展机理,在MTS疲劳试验机上采用紧凑拉伸剪切试件(CTS)对A7085铝合金进行不同加载角度的疲劳实验;用有限元分析计算不同裂纹扩展长度的裂纹尖端应力强度因子,通过七点递增多项式法对数据进行处理,计算出A7085铝合金Paris公式中的参数C和m.结果表明不同加载角度的裂纹基本沿着与外载荷垂直的方向扩展,裂纹扩展路径近似为一条直线,裂纹扩展角测量结果基本符合最大环向拉应力理论;Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹一旦发生扩展,Ⅱ型应力强度因子KⅡ所占比例急剧减小,Ⅰ型应力强度因子KⅠ不断增大,此后KⅡ远远小于KⅠ,有效应力强度因子(KⅠ和KⅡ的组合)基本等于KⅠ,相当于裂纹扩展主要受Ⅰ型应力强度因子控制,研究结果有助于对Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展机理的理解.