高地下水水位冻土区梯形渠道衬砌冻胀破坏断裂力学模型

冻胀荷载作用下初始裂纹的形成、扩展导致衬砌结构的断裂是寒区衬砌渠道冻害的主要原因之一。在已有研究基础上,综合考虑地下水水位影响的梯形渠道冻胀力学分析方法及线弹性断裂力学理论,提出高地下水水位梯形渠道冻胀断裂力学分析框架。该模型将衬砌结构表面初始裂纹的失稳扩展及开裂破坏简化为Ⅰ型断裂力学问题,并提出应力强度因子与危险截面位置的计算方法。以塔里木灌区某梯形渠道为原型分析地下水埋深w对衬砌各截面应力强度因子K_(FⅠ)(x)及合理板厚d r的影响规律。结果表明:地下水补给条件对K_(FⅠ)(x)的大小影响显著;当w减小时,K_(FⅠ)(x)呈非线性增大,此时渠道冻害风险也增大,与事实相符。地下水埋深越浅,保证结构安全所需衬砌板的合理厚度d r越大;当地下水埋深为3.0 m时,建议使用的合理板厚为9.0 cm。研究结果可为寒区渠道的抗冻胀设计提供科学依据。

基于断裂力学的横隔板弧形切口CFRP加固参数研究

横隔板弧形切口疲劳开裂为正交异性钢桥面板的主要疲劳病害之一。为研究该部位的疲劳性能,分析碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)参数对加固效果的影响,首先,建立钢梁节段模型,在弧形切口应力幅最大处引入初始裂纹,基于断裂力学理论得到疲劳荷载作用下横隔板弧形切口处的开裂模式及疲劳寿命;然后,建立CFRP板加固模型,改变各加固参数,对比不同初始裂纹条件下裂纹扩展过程中的应力强度因子变化规律,探究CFRP板长度、宽度、厚度、弹性模量以及胶层剪切模量等参数对加固效果的影响;最后,给出推荐加固参数组合。研究结果表明:横隔板弧形切口处疲劳裂纹为I型裂纹,疲劳寿命约为576.42万次;CFRP板加固能有效降低裂纹尖端应力强度因子幅值,但是CFRP板长度与宽度存在加固的临界尺寸,当尺寸大于这一临界值时,其对加固效果影响极小;CFRP板厚度、胶层剪切模量对加固效果的影响随参数增大而逐渐减弱;采用长×宽×厚为45.0 mm×30.0 mm×2.0 mm、弹性模量为460 GPa的CFRP板进行加固后,裂纹将不再扩展,疲劳寿命显著提高。

煤矿“Y”型断层分支底板断裂力学判据及模拟研究

【目的】断层分支作为主断层的一部分普遍存在,不易引起人们重视,但断层分支是引起突水的主要因素之一。【方法】以安徽刘庄煤矿为工程地质背景,在考虑Mohr-Coulomb准则岩体压剪断裂判据基础上,建立断层分支渗流与应力双重影响下的断裂力学灾变模型,分析得出断层分支发生劈裂破坏时的临界水压及断层分支到底板破碎区最小安全距离,研究断层倾角、最小主应力、主断层长度和渗透水压对临界水压及最小安全距离的影响规律和主控影响因素,并模拟分析断层分支在采动影响下塑性区及渗流场的演化特征,开展现场压水试验的验证工作。【结果和结论】结果表明:(1)断层分支倾角越大越易发生突水;最小主应力越大,断层分支裂隙越不容易发生扩展;(2)当主断层倾角为60°且断层分支与主断层夹角为60°时,模拟分析结果显示在工作面推进至断层分支正上方位置时,断层导升通道整体活化贯通;当工作面推过断层分支正上方10 m后,断层分支尖端裂隙与工作面底板破坏带贯通并引起底板突水;(3)通过现场压水试验验证了理论计算的正确性,证实断层分支会造成底板裂隙提前与断层相互贯通,引起工作面出水。研究结果可为煤矿采场底板含此类断层分支时的防水煤柱留设提供一定参考。

以经典科研案例为主线的断裂力学教学创新与实验设计

断裂力学课程知识体系复杂、重点难点分散,又偏重理论教学,因此针对性地提出以经典科研案例与理论知识串联、将特色性实验环节穿插其中的创新教学模式。基于高延性水泥基材料(ECC)发明过程中的断裂力学理论,建立脉络清晰、重点突出的知识框架,理论与实际问题结合,使断裂力学呈现出独特的工程魅力。借助与理论教学配合的实验教学,学生切身体验到理论知识的应用场景,培养前沿思考、创新意识和实操能力。同时,通过科研案例融入课程思政元素,鼓励学生聚焦国家重大工程需求,深入思考工程技术背后的科学逻辑。课程提升学生的学习兴趣、参与热情和研究主动性,取得较好的教学效果。

基于有限元的行程可调液压油缸活塞杆断裂力学性能测试

设计基于有限元的行程可调液压油缸活塞杆断裂力学性能测试方法。以行程可调液压油缸断裂的活塞杆为研究对象,采用有限元分析软件构建液压油缸活塞杆有限元模型。从宏观形貌、拉伸性能、硬度及粗糙度等方面,测试了行程可调液压油缸活塞杆的断裂力学性能。结果表明:经过拉伸和硬度测试发现,试件的弹塑性较差;粗糙度变大是导致行程可调液压油缸活塞杆发生断裂的主要原因;断裂试件的纵向残余应力变化较大,断裂后为504 MPa。

胶粉改性沥青混合料动态和断裂力学性能

文中通过单轴压缩动态模量试验和半圆弯曲断裂试验,研究不同胶粉掺量和细度下混合料动态模量和相位角以及断裂荷载和断裂位移.结果表明:胶粉掺量由10%分别增加到20%和30%以及胶粉细度由20目增加到40目时,混合料动态模量和断裂荷载逐渐增大,相位角和断裂位移逐渐减小.断裂能在胶粉掺量20%和细度40目时分别最大.40目与60目胶粉对应混合料动态和断裂力学性能差异不显著.20℃10 Hz条件下,胶粉掺量在20%时动态模量达12000 MPa,临近规范上限,胶粉掺量过大引起5℃相位角显著降低.综合考虑混合料高低温性能,宜优选胶粉掺量为20%,细度40目.

断裂力学在桥梁领域的应用与发展

桥梁是跨越江河、海峡等天堑的主要交通方式之一,其安全性、可靠性一直是该领域专家学者关注的焦点问题。低应力脆性断裂因无征兆、破坏快而成为桥梁建设需解决的关键难题之一。学者们从不同的角度对桥梁构件的脆性断裂问题进行系统研究,发现建设材料缺陷、恶劣的运营环境及复杂的荷载工况等都是构件脆性断裂的致因。为了解桥梁构件脆断的机理及应对方法,该文总结当前研究的进展,主要包括桥梁疲劳荷载模型、构件裂纹扩展机理及影响、桥梁疲劳性能及寿命评估等方面,以期为后续相关发展提供参考。

断裂力学在钢结构工程鉴定中的应用研究

从裂纹扩展分析、材料的韧性评估、焊接接头强度评估、结构的安全性和剩余寿命预测、损伤容限设计等层面入手,系统论述断裂力学在钢结构工程鉴定中的应用。通过建立统一的评估标准,引入先进的无损检测技术以及加强跨学科合作等方面的工作,为钢结构工程的安全性和耐久性提供更加安全、可靠的保障。

中国船级社(CCS)发布《基于断裂力学理论的疲劳强度评估指南》(2023)

近日,中国船级社(CCS)发布了《基于断裂力学理论的疲劳强度评估指南》(2023)(简称《指南》)。CCS指出,《指南》旨在对基于断裂力学理论的疲劳分析方法做出建议和规定。《指南》适用于典型节点的疲劳强度评估,载荷计算分别采用等效设计波法或谱分析法,可用于解决超厚板结构疲劳强度评估以及液化气体船B型独立液舱裂纹扩展评估和泄漏分析等问题。《指南》基于船体结构的理论分析、验证试验和实船验证研究成果完成。基于断裂力学理论的疲劳强度评估方法作为S-N曲线法的疲劳强度计算的辅助和支持手段,设计中当节点型式无法与标准S-N曲线匹配时,或现有规范、规则明确要求采用断裂力学方法进行疲劳评估时,可基于《指南》对该节点进行疲劳强度分析。《指南》于2024年1月1日起生效。

基于断裂力学的抓斗卸船机钢结构疲劳寿命评估方法研究

为提高抓斗卸船机的作业效率,增加结构寿命评估结果的可信度,基于断裂力学角度,以抓斗卸船机为例,开展钢结构疲劳寿命评估方法的设计研究。引进FEA技术,建立抓斗卸船机本体钢结构模型,确定抓斗卸船机钢结构疲劳点;采用获取钢结构应力值的方式,采集钢结构应力值,进行机械作业中主要受力的集中分析;根据循环载荷下应力的最大、最小值,确定应力范围;结合材料的疲劳裂纹扩展参数,计算疲劳裂纹扩展速率与寿命。对比实验结果证明:该方法可以精准预测钢结构的疲劳寿命,控制评估结果误差在±0.1 a范围内。

基于断裂力学的沥青混凝土抗裂性能与研究方法进展

针对断裂力学在沥青混凝土的应用背景以及目前研究的不足,分别从沥青混凝土断裂力学基本理论和沥青断裂性能的研究进展以及沥青混凝土断裂测试方法三个方面总结了相关成果和进展。阐述了线弹性断裂力学、弹塑性断裂力学及疲劳断裂力学在沥青混凝土中的应用条件和评价参数;从材料组成、再生和温拌工艺、路面层间黏结以及细观模拟等方面总结了沥青混凝土抗裂性能的研究现状;列举了目前评价沥青混凝土断裂性能的试验方法;指出了目前研究的不足和以后研究的建议。研究结果表明:沥青混凝土的低温和中温断裂一般分别用线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学理论来评价和分析,有必要将线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学结合,从而提出一个统一的宽温度域的评价指标;目前针对单调荷载作用下沥青混凝土断裂性能的研究较多,针对循环荷载作用下沥青混凝土断裂行为的研究还较少,有必要通过疲劳试验明确沥青混凝土的裂纹扩展规律;沥青混凝土断裂的细观模拟可以从细观角度揭示裂纹发生和扩展的机理,但破坏模型的选取和细观参数的确定是影响模拟结果准确性的重要因素,需要进一步重视。

木材断裂解离分形特征与分形断裂力学模型研究

目的以椴木为研究对象,研究冲击载荷作用下椴木试件的断裂解离形貌特征和断裂力学特性,建立适用于木材原料断裂解离的分形断裂力学模型,并对其断裂解离力学行为进行描述。方法对椴木试件进行冲击加载试验,分析试件断口的形貌特征和断裂力学特性,构建适用于木材原料断裂解离的分形断裂力学模型。结果椴木试件横向冲击断裂断口裂纹形状和断口形貌特征比纵向冲击复杂,横、纵向冲击断裂断口均具有分形特征;椴木试件纵向冲击断裂韧性均值是横向冲击断裂韧性均值的1.112倍,椴木试件横、纵向冲击断口的分形维数均值分别为2.0635和2.0751,椴木试件横、纵向冲击韧性与其断口分形维数之间存在线性正相关关系,拟合优度分别为0.7787和0.8122;构建的木材原料断裂解离临界解离应力和断裂韧性的分形断裂力学模型也适用于脆性材料。结论在木材原料冲击断裂解离时,木材原料初始裂纹长度越短,断裂解离断口越粗糙复杂,木材原料断裂解离所需要的能量越大;当裂纹沿着与冲击加载力方向垂直成大约1.055 rad方向扩展时所需的能量最小,木材原料最易沿该方向进行断裂解离。

直接顶-基本顶耦合作用下采场顶板断裂力学模型研究与应用

周期来压是矿山压力显现的典型特征,准确进行采场周期来压步距预测是有效降低采场事故发生的重要途径。针对基本顶自身缺陷与直接顶耦合作用对周期来压步距的影响,视采场顶板为自带裂缝的有限板模型,根据覆岩协调变形机理,基于断裂力学理论建立采场顶板断裂力学模型,推导直接顶-基本顶耦合作用下周期来压步距函数式,以陕北某矿区2个工作面为例,分析基本顶岩石断裂韧度、裂缝深度、直接顶厚度和弹性模量等参数对周期来压步距的作用规律。研究表明:基本顶断裂韧度与周期来压步距呈近似线性关系;裂缝深度比(裂缝深度/顶板厚度)对周期来压步距影响较大,裂缝深度比达到0.8后,基本顶失稳破坏;直接顶厚度小于3 m时对周期来压步距影响较小,超过3 m后对周期来压步距影响显著。研究结果对采场顶板周期来压步距预测及支架选型具有重要的理论意义和工程价值。

壳体断裂力学统一计算理论与飞行器结构设计

断裂力学理论和方法在飞行器结构设计中发挥着不可替代的作用。依据断裂准则划分为阻止或者驱动裂纹扩展。阻止裂纹扩展是避免飞行器结构发生灾难性事故的最后一道防线,如机翼、机身等重要结构的止裂安全性设计、广布疲劳损伤容限设计等;驱动裂纹扩展是实现飞行器结构快速分离的关键技术,如运载火箭级间和星箭分离、飞行员和航天员逃逸救生等。板壳是飞行器结构的主要形式,开展板壳断裂力学研究具有重要的科学意义和工程价值。该文提出了基于连续体的壳体断裂力学统一计算理论,发展了壳体扩展有限元方法。基于该理论和方法,阐述了大变形曲面壳体裂纹扩展与止裂的计算分析过程,展示了在国产大飞机机翼整体结构件设计、天和号核心舱结构研制和高级教练机穿盖弹射救生系统设计等飞行器工程中的成功应用。

以创新人才培养为导向的研究生教学改革探索——以损伤与断裂力学课程为例

研究生的培养质量与国家的科技创新能力密切相关,构建高水平人才和拔尖创新人才培养体系,是全国研究生教育会议提出的研究生培养的重要目标。为提高新工科背景下研究生对基础理论知识的理解能力和对复杂工程问题的分析解决能力,该文以教学模式、指导方法、课程内容和评价体系四个方向作为切入点,以损伤与断裂力学课程为例提出一种以创新人才培养为导向的研究生课程建设与教学改革新模式,提高研究生的创新能力,实现由“基础型人才”向“创新型人才”的飞跃。

一种基于绕晶失效模式的混凝土断裂分析模型

基于普通强度混凝土发生I-型开裂后的形态学特征,充分考虑其材料组成的非均质性及细观尺度绕晶失效模式,建立了用于混凝土断裂破坏行为及其宏观力学性能研究的三维细观断裂理论分析模型。模型采用细观力学基本理论框架,假设混凝土材料由骨料、砂浆和界面构成。为简化理论推导,采用弹性球体代表骨料,采用典型双线性弹性本构模型表征砂浆和界面的力学行为。建立的理论分析模型能够描述普通强度混凝土在唯一裂缝面假定下的断裂面形态学特征,并定量给出宏观尺度断裂参数。该文工作可为后续建立基于穿晶失效模式的混凝土断裂分析模型提供研究框架,为最终建立基于性能的混凝土材料配合比设计理论奠定基础。

荷载作用下多裂隙煤体力学特性与起裂角研究

为研究静态加载条件下裂隙几何位置及相互作用机制对煤体力学行为的影响,采用数字图像相关方法作为全场观测手段,以原煤预制不同位置分布下的三裂隙试样为研究对象,利用MTS816岩石伺服试验机进行单轴压缩试验,并结合颗粒流程序研究了裂隙不同位置分布状态下多裂隙煤体的力学特性、裂纹演化规律及破坏特征。与此同时,基于断裂力学理论讨论了T应力对煤体多裂隙尖端的影响形式及适用性。研究结果表明:当裂隙由平行共线分布向平行重叠分布过度时,煤样的宏观强度具有逐渐增强的现象;裂隙的分布形式会影响煤体的承压状态,当裂隙间距离较远时,应力场中应力薄弱区会独立存在,并随着压力增加逐渐扩展融合;而当裂隙趋于重叠分布时,应力集中区和薄弱区都会各自形成统一的受力整体,相互影响。多裂隙共线或偏置分布时,裂隙面以剪应力为主,拉应力为辅的驱动方式导致煤样发生拉剪复合破坏,而当多裂隙趋于重叠分布时,裂隙面上的剪应力转化为岩桥区拉应力,从而形成以拉应力为主导的方式驱动试样发生拉伸破坏。考虑T应力影响时,包含3个T应力分量(Tx,Ty和Txy)的起裂角理论预测值更适用于压剪应力状态下有限板多裂隙尖端裂纹扩展角度方面研究。

基于不同断裂准则下水力压裂裂纹起裂规律研究

为研究煤矿顶板定向水力压裂裂纹扩展机理,探究不同断裂准则之间的关系,基于断裂力学理论构建钻孔水力压裂力学模型,推导不同断裂准则下的起裂角和临界水压计算公式,分析不同变量对起裂角和临界水压的影响效果。结果表明:①注入水压的增大会显著降低起裂角,且预制裂纹倾角与起裂角曲线极值会随着水压的增大而向45°附近移动;随着应力差的增加,起裂角逐渐增加;起裂角随预制裂纹长度与钻孔半径比值的减小而增大;泊松比对起裂角的影响效果有限。②临界水压随着预制裂纹倾角和主应力差的增大而增大,但在低预制裂纹倾角条件下,σ准则计算出的临界水压会随着主应力差的增大而减小;钻孔半径和预制裂纹长度的增加会显著减小临界水压。③对比临界水压的理论计算结果与试验结果知,二者有较好的拟合性。研究结果可指导水力压裂现场施工。

人工智能在断裂力学的应用——裂纹识别、诊断及预测

在过去的二十年里,人工智能学者不断开发新的技术及方法应用于解决工程问题。虽然许多学者已经成功应用这些人工智能技术及方法解决工程问题,但是目前还没有相关文献系统地介绍这些技术及方法在断裂力学中的应用与发展。主要介绍了经典断裂力学的发展以及成果,并归纳总结近年来人工智能方法在断裂力学中的应用,将其成果细分为三类,包括失效模式识别,损伤和失效的检测及诊断和断裂参数的表征、反演和预测。详细讨论了人工智能方法在上述三个方面的应用情况。最后分析了这些人工智能方法在断裂力学领域中的优点及不足并提出了未来可能的研究方向。

基于断裂力学的钢桥面板纵肋顶板焊缝疲劳效应分析

为了系统研究钢桥面板纵肋顶板焊缝的疲劳效应,基于断裂力学相关理论,依托有限元软件,建立了钢桥面板疲劳裂纹扩展数值模拟方法,并通过实际案例验证了方法的可行性。在此基础上,构建了包含初始裂纹体的钢桥面板RD细节单面焊、RD细节双面焊、RDF细节单面焊和RDF细节双面焊数值有限元分析模型。计算得到了不同细节I型、Ⅱ型和Ⅲ型应力强度因子的纵向历程,获得了等效应力强度因子幅值。经对比分析,确定了钢桥面板纵肋顶板焊缝不利细节,并选取RDF细节双面焊进一步探究了疲劳效应关键影响因素。结果表明:RD细节单面焊、RD细节双面焊、RDF细节单面焊和RDF细节双面焊疲劳裂纹均为I型为主导的Ⅰ-Ⅱ型复合疲劳裂纹;RDF细节单面焊和双面焊等效应力强度因子幅值分别为RD细节的1.5倍和1.2倍;与单面焊相比,RD细节和RDF细节双面焊等效应力强度因子幅值分别降低了12.0%和41.8%,双面焊疲劳性能具有明显优势;就RDF细节双面焊而言,顶板厚度由14 mm增加至18 mm时,疲劳寿命增加915.0万次,初始裂纹深度由0.2 mm增加至1.5 mm时,疲劳寿命降低300.2万次;横隔板厚度、横隔板间距和初始裂纹长度对该细节疲劳寿命影响较小,当裂纹扩展至一定深度后,裂纹形态不再受初始裂纹尺寸的影响,裂纹扁平率将趋于一致。