岩石亚临界裂纹扩展应力强度因子Williams级数计算及数值模拟

引入Williams级数,提出一种计算双扭试验中应力强度因子的新方法,并运用ANSYS数值模拟软件,对双扭试验进行数值模拟。通过理论分析和数值模拟2种方法,分别计算大理岩和花岗岩在亚临界裂纹扩展中的应力强度因子IK?和IK?。同时,将理论分析和数值模拟所得的应力强度因子IK?和IK?与试验所得的应力强度因子IK进行比较。研究结果表明:理论分析、数值模拟与试验这3种方法所得的应力强度因子均随裂纹的扩展而减小,与断裂力学理论相符;对于同一种岩石试样,理论分析所得的IK?与试验所得的IK的拟合曲线相比斜率偏小,但偏差较小;模拟所得的IK?与试验所得的IK的拟合曲线斜率基本一致,说明理论分析、数值模拟与试验过程中应力强度因子减小规律相同,能反映试验的基本过程,可见理论分析与数值模拟结果可靠,能为岩土工程稳定与时间的相关性研究提供依据。

岩石断裂韧度试样CCNBD临界应力强度因子的全新数值标定

国际岩石力学学会(ISRM)提出的用人字型切槽巴西圆盘(Cracked Chevron Notched Brazilian Disc—CCNBD)测试岩石I型断裂韧度所必需的量纲为一的临界应力强度因子Y*min的精度需要进一步改进。本文对CCNBD试样的Y*min进行了系统的重新标定,CCNBD的几何参数有效范围为0.44≤αB≤1.04、0≤α0≤0.69、0.4≤α1≤0.8。采用有限单元法对CCNBD做三维数值分析,得到了435种CCNBD试样的Y*min值标定结果;在此基础上全面修正了CCNBD试样Y*min计算公式中u和v的取值表;给出了不用查表直接确定CCNBD试样Y*min值的近似表达式,该表达式计算结果与标定结果的相对误差绝对值在1.87%以内。对于ISRM建议的CCNBD标准试样的Y*min值:ISRM标定值0.84比本文结果0.957小12.2%;分片合成法标定值0.947比本文结果小1.0%;子模型法标定值0.943比本文结果小1.5%。本文特别强调了任何CCNBD试样Y*min的取值必须在它对应的上限和下限所限定的范围内,这一要求对判断Y*min标定值是否合理是很重要的。

圆管表面斜裂纹应力强度因子和临界裂纹长度仿真分析

针对圆管表面斜裂纹,建立基于弹性断裂理论和复变函数理论的计算模型。研究圆管表面斜裂纹发生扩展时临界状态所对应的应力强度因子和裂纹临界尺寸在各种相关因素影响下的变化规律。以Ⅰ、Ⅱ型复合裂纹为例,采用应变能密度理论对其进行了分析。对开裂角、裂纹所处角度及裂纹的几何尺寸等因素的影响进行仿真计算。得到裂纹所处角度对复合型裂纹两个应力强度因子影响的曲线,并对其影响的程度进行了比较。另外,对裂纹所处角度和开裂角对临界裂纹长度的影响进行了仿真分析。结果表明:随着裂纹所处角度的增加,两个应力强度因子(KⅠ、KⅡ)的最大和最小值是相同的,但趋势相反。并且对于Ⅰ型裂纹,在β=0和β=2π的地方,其应力强度因子为零。

水压致裂技术测试底板岩体张开型临界应力强度因子

利用断裂力学进行突水判别 ,必须求出临界应力强度因子。由于岩体结构复杂 ,很难获取符合临界应力强度因子测试的岩样。文中对水压致裂技术进行了断裂力学解释 ,建立了断裂力学模型 ,应用叠加原理推导了临界应力强度因子的计算公式。并应用这一结果 ,对葛店煤矿水压致裂测试底板原位地应力资料进行了分析 。

测试应力腐蚀临界应力强度因子的新方法

应力腐蚀临界应力强度因子的测试方法是基于线弹性继裂力学理论和应力腐蚀理论提出的一种新的测试方法。该方法采用精密电子元件测试所需应力值,并利用显微镜测得的直径,通过计算便可获得应力腐蚀临界应力强度因子值。实践表明:该方法具有操作简单、应用灵活、成本低等优点。

超超临界机组锅炉过热器耦合应力强度因子分析

为揭示超超临界机组锅炉含外径裂纹的T92材料过热器管道在热应力和内压耦合作用下裂纹尖端应力场的分布情况,基于T92材料弹性模量E随温度变化的影响,运用有限元软件ANSYS建立了过热器管外壁含径向裂纹的有限元模型,获得了应力强度因子在热应力和内压耦合作用下的变化规律,并根据力是矢量叠加原理,分析了在内压、热应力及其共同作用下裂纹尖端应力场变化的原因。结果表明:在相同内外壁温差作用下,应力强度因子随着内压的增大而逐渐增大;热应力会导致仅内压作用下的T92材料过热器管外壁含径向裂纹的尖端应力场发生变化;在内压、热应力耦合作用下,应力强度因子随温差的增大而有所减小。

岩石断裂韧度CCNSCB方法渐进破坏机制与无量纲应力强度因子宽范围标定

国际岩石力学学会建议了4种岩石I型断裂韧度(K_IC)测试方法。将建议方法的人字形切槽巴西圆盘试样与直切槽半圆盘试样结合,可以得到具有诸多优点的人字形切槽半圆盘(CCNSCB)三点弯曲试样。近年来,CCNSCB方法受到许多关注,然而,其渐进破坏过程却尚未进行有效的评估。为此,对其进行了数值研究,其内容包括:进行细观损伤力学模拟,直观展现CCNSCB试样渐进断裂过程;考虑不同支撑跨距与直径之比(b)的影响,发现b愈大,愈加符合测试原理,建议b取0.8;采用有限元子模型技术对CCNSCB方法(b=0.8)中计算KIC的关键参数-临界无量纲应力强度因子(*Y_min)进行了宽范围标定,可供相关研究直接查取;细观损伤力学模拟峰值力对应的临界裂纹与有限元标定*Y_min对应的临界裂纹较为一致,证明CCNSCB方法测试原理的合理性,以及数值模拟与*Y_min标定结果的有效性。

围压对巴西裂纹圆盘应力强度因子影响分析

为了研究围压对巴西裂纹圆盘应力强度因子的影响,使用权函数方法得到了围压作用下巴西裂纹圆盘的应力强度因子,进而得到径向集中荷载与围压共同作用下的应力强度因子的计算公式。在此基础上,从理论上分析了围压对巴西裂纹圆盘应力强度因子的影响,分析结果表明:围压对II型应力强度因子无影响,纯围压作用下裂纹趋于闭合;围压和集中力共同作用下,I型应力强度因子随着围压的增大而减小。对比分析了数值分析与理论结果,分析表明,理论与数值结果吻合良好,从而表明了理论分析的正确性。此外,还研究了围压对纯II型裂纹加载条件的影响,结果表明,纯II型裂纹的临界加载角随着围压增大而减小,直至为0。因此,当围压较大时,加载角为0°左右所发生的断裂不一定全是纯I型断裂。

基于权函数法的含裂纹叶片的应力强度因子研究

基于两个已知的参考应力强度因子和权函数的基本特性,分别计算了含单边裂纹、双边裂纹和中心裂纹的有限宽板的权函数。然后,将所计算的权函数分别用于确定含单边、双边及中心裂纹的旋转平板叶片的裂尖应力强度因子K。最后,在线弹性断裂力学范围内由断裂准则K<KIC分别对含单边、双边和中心裂纹的平板叶片的临界转速进行了估算。研究结果表明:旋转平板叶片所含的裂纹深度越深、裂纹位置距旋转轴越近,所引起的裂尖应力强度因子就越大,所允许的临界转速就越低。

中心直裂纹圆盘无量纲应力强度因子获取精度研究

岩石断裂韧性是岩石抵抗裂纹扩展能力的表征,而无量纲应力强度因子是计算断裂韧性的关键参数,目前众多国内外学者采用Atkinson给出的中心裂纹圆盘试件的近似公式获取中心直裂纹圆盘的无量纲应力强度因子。对Atkinson给出的无量纲应力强度因子近似公式及中心裂纹圆盘试件的级数解精度进行了研究,并给出了较广范围的产生纯Ⅱ型裂纹加载条件,还采用有限元方法标定了不同预制裂纹宽度时中心直裂纹圆盘Ⅰ型裂纹的无量纲应力强度因子。分析结果表明:YⅠ随着相对裂纹宽度增大逐渐减小,且当相对裂纹宽度大于0.01后,YⅠ变化幅度逐渐减小;不同裂纹宽度条件下,YⅠ随加载角变化的规律相同。当裂纹宽度仅为0.1 mm时,其无量纲应力强度因子解析解与数值解会产生很大偏差,因此在断裂韧性测试中应根据实测的裂纹宽度对无量纲应力强度因子进行标定。

内压作用下含裂纹射孔套管临界开裂应力分析

为了了解内压作用下含裂纹射孔套管临界开裂应力,为现场确定泵压等施工参数提供参考依据,用ANSYS有限元分析软件建立了射孔套管有限元模型,给出了含孔边裂纹射孔套管应力强度因子计算公式,对内压作用下含裂纹射孔套管临界开裂应力进行分析计算,得到了临界开裂应力与纵向裂纹长度的关系曲线。研究结果表明,套管最大应力集中在孔边裂纹处,在内压产生的应力作用下裂纹有可能沿轴向产生脆性扩展,因此,孔边裂纹大大削弱了射孔套管的强度;射孔套管临界开裂应力随裂纹长度的增加而减小;在短裂纹区(10 mm<a<20 mm),临界开裂应力随a的变化较大;在长裂纹区(a<20 mm),临界开裂应力变化趋于平缓,即当裂纹长度达到某一定值时,孔边裂纹对套管承载能力影响不再明显。

38CrNi3MoVA钢应力腐蚀性能及临界裂纹尺寸研究

本文采用预裂纹试样研究了38CrNi3MoVA钢在3.5%(质量浓度)NaCl水溶液腐蚀介质中的应力腐蚀性能,并由此计算出材料的临界裂纹尺寸,由试验结果可知,该材料具有较好的抗3.5%(质量浓度)NaCl水溶液腐蚀性能和很高的使用可靠性。

CNG气瓶在不同H_2S浓度中的临界裂纹尺寸

对3种不同的压缩天然气气瓶用钢4130X、30CrMo材料,在两种H2S环境溶液(高浓度2000×10-6和中等浓度200×10-6)中,采用改进型WOL试样,在测定材料室温K1C的基础上,用螺栓加载法,对22个试样测定了H2S环境下(室温)的临界应力强度因子KISCC.由此确定了不同材料在不同环境溶液中的临界裂纹尺寸,得到了气瓶工作压力及等效应力与临界裂纹尺寸的关系曲线.结果表明:几种材料的K1C值均较高,正常环境中都表现了良好的断裂韧性,但在H2S环境中,KISCC仅为K1C值的20%～40%.对于同样的4130X气瓶用钢,不同的供货来源,其KISCC值相差约30%,临界裂纹尺寸相差约80%.

水岩作用下岩石亚临界裂纹的扩展规律

采用双扭试件,利用常位移松弛法,分别进行自然状态以及水岩作用下大理岩和混合岩的亚临界裂纹扩展实验,获得2种环境下岩石裂纹扩展速率v与应力强度因子KI的关系,并计算得到亚临界裂纹扩展参数A和n。通过对比,研究水对岩石亚临界裂纹扩展规律的影响。研究结果表明:对于大理岩,其A为自然状态下的8.07×1016倍,n由自然状态下的48.33下降到8.28;对于混合岩,其A为自然状态下的5.45×109倍,n则由自然状态下的60.20下降到21.86,说明对应于同一应力强度因子水平,水作用下的岩石亚临界裂纹扩展速度要快;水的存在使得岩石的断裂韧度KIC明显降低,对于大理岩,自然状态下的KIC为3.0316MN/m3/2,水岩作用后KIC为2.2070MN/m3/2,下降27.19%;对于混合岩,2种状态下的KIC分别为2.0877和1.9398MN/m3/2,下降7.08%。该实验结果可为复杂矿岩的稳定性分析提供可靠依据。

管线钢焊接接头H_2S应力腐蚀试验分析

采用楔形张开加载(WOL)试样,对X56、X65管线钢不同焊接工艺下焊接接头的焊缝金属和热影响区在H2S介质中的抗应力腐蚀性能进行了试验研究.结果表明,全部平行试样都发生了少量的裂纹扩展,当应力强度因子K达到临界值(KISCC),裂纹不再扩展.在文中采用的焊接工艺下制备的X56钢和X65钢焊接接头,热影响区的抗H2S应力腐蚀性能略强于焊缝金属,且焊缝金属和热影响区性能均低于文献中介绍的母材性能,可以认为是焊缝金属和热影响区粗晶区的晶粒粗化、焊接缺陷、焊接残余应力和焊缝的高匹配等因素造成的.

X65管线钢焊接接头H_2S应力腐蚀研究及其有限元数值分析

在X6 5管线钢H2 S应力腐蚀试验的基础上 ,建立了三维弹塑性有限元模型 .通过三维弹塑性有限元的数值分析 ,得到了裂纹尖端应力场分布和氢浓度的分布特征 .通过对X6 5管线钢焊接接头的显微组织观察和基本力学性能研究 ,对影响其应力腐蚀影响因素提供了实验依据 .并根据楔形张开加载恒位移试样得出了X6 5管线钢焊接接头的临界应力强度因子KISCC和裂纹扩展速率 。

16MnR钢在液氨环境中的应力腐蚀裂纹扩展研究

采用T形楔形张开加载（T-WOL）恒位移试样,进行16MnR钢在无水液氨环境的应力腐蚀实验。实验中采用了8只预裂纹试样,分别加载到不同应力强度因子KI值,放入盛有液氨的实验容器中。试样定期取出测量裂纹的长度,经总共3450h应力腐蚀实验,测得各试样的裂纹扩展速率在0.08×10^-8～3.54×10^-8mm/s之间。结果表明：16MnR材料在无水液氨环境中裂纹基本没有扩展,其应力强度因子临界值KISCC大于90 MPa √m。同时分析了应力腐蚀开裂机理和影响其应力腐蚀行为的介质与材料因素。

恒位移加载条件下X65管线钢H_2S应力腐蚀研究

采用楔形张开加载恒位移实验研究了X65管线钢在H2S溶液中的应力腐蚀开裂行为,并得出了X65管线钢母材、焊缝和热影响区的临界应力强度因子KISCC分别为55.7093 MPa.m1/2、33.3189 MPa.m1/2和38.0711 MPa.m1/2;平台处的裂纹扩展速率da/dt分别为3.38×10-9m/s、3.5×10-9m/s和3.5×10-9m/s.研究结果还表明,焊缝比母材具有更高的应力腐蚀敏感性.

巷道断层带瓦斯突出及防护岩柱临界厚度确定

矿井巷道在穿越含瓦斯断层或石门揭煤的掘进过程中,常常遇到岩石(煤)与瓦斯的超前突出。为科学地预留安全岩柱,通过深入分析各种突出影响因素,笔者修正了微元体中有效应力的表达式,从断裂力学的角度分析了岩柱内裂隙面上的应力状态,通过分析裂纹尖端周边的应力场,得出了裂纹尖端应力集中的力学成因,认为岩石(煤)与瓦斯突出是裂纹尖端应力强度因子达到岩体的断裂韧度时裂纹发生失稳扩展从而产生破坏的动力现象,并以此建立了岩柱临界安全厚度的计算模型。实践证明,计算得出的安全岩柱厚度与施工中的实际案例较为吻合。

半潜式钻井平台浮箱表面裂纹前沿断裂参量和临界状态评估研究

对于半潜式钻井平台浮箱,裂纹的扩展不仅影响结构的水密性甚至可能对结构的安全产生巨大威胁,并直接决定平台的整体使用寿命。以南海某平台为研究对象,对浮箱板壳椭圆形表面裂纹前沿应力强度因子的分布规律,以及裂纹形状系数对裂纹前沿应力强度因子分布规律的影响等进行了研究。在此基础上,基于BS7910规范中‘合于使用’原则,对裂纹的临界状态进行了分析和评定,为海洋环境条件下半潜式钻井平台浮箱表面裂纹的极限尺寸研究提供了一种科学的方法。