基于颗粒流的带中心孔巴西圆盘试样裂纹扩展分析

为研究带中心孔巴西圆盘的劈裂过程,利用颗粒流法分析不同孔径的带中心孔巴西圆盘的裂纹扩展规律和机理。结果表明,不同孔径的巴西圆盘断裂模式有一定差异,主裂纹均从孔洞在加载方向的两端萌生并沿加载方向扩展。当中心孔径较小时,次生裂纹从加载点附近萌生并与主裂纹发生连通作用,圆盘试样破裂分成两半;当中心孔径较大时,次生裂纹从加载点的一侧萌生并向中心孔方向扩展,圆盘试样劈裂成4块。带中心孔巴西圆盘的劈裂过程可分为弹性变形阶段、主裂纹的萌生和稳定扩展阶段、主裂纹的扩展失稳阶段和次生裂纹扩展失稳阶段等4个阶段。从应力场角度来看,巴西圆盘的劈裂过程是拉应力集中区不断转移并产生新的微拉裂纹,大量微裂纹萌生、扩展和贯通形成宏观裂隙的过程。从能量角度来看,巴西圆盘的劈裂破坏过程是岩石从受荷初期应变能不断积累,到达峰值强度后应变能瞬时释放并伴随耗散能急剧增加的过程。

对圆盘、圆环和圆孔研究与应用的感悟

Hertze,Michell和Timoshenko等力学大师得到圆盘和圆环的弹性力学解;巴西、日本、英国和美国的先驱学者先后提出基于圆盘和圆环这两种构形的试样测试岩石、混凝土等脆性材料的拉伸强度的方法.作者在这些大师和先驱者工作的基础上,提出平台巴西圆盘(flattened Brazillian disc,FBD),中心圆孔平台巴西圆盘(holed cracked flattened Brazilian disc,HCFBD)和压缩单裂纹圆孔板(single crack drilled compression,SCDC)等试样和相应的测试方法,对国际岩石力学学会(International Society for Rock Mechanics,ISRM)建议的测试拉伸强度和断裂韧度的方法做出了改进,尤其重要的是扩展到动态力学性能的测试,包括动态起裂,动态裂纹扩展和止裂.这些研究工作得益于作者讲授《弹性力学》和《断裂力学》两门基础课以及指导研究生,说明教学与科研是相辅相成的.

复合型加载条件下HCCD试样应力强度因子的研究

文章采用有限元方法,对带裂纹中心圆孔圆盘(hollow centre cracked disc,HCCD)试样的复合型断裂进行了数值模拟研究。采用相互作用积分法计算了试样裂尖的Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子(KⅠ和KⅡ)。根据大量算例结果并结合量纲分析,得到了复合型加载条件下HCCD试样裂尖KⅠ和KⅡ的拟合公式。该组公式含有试样圆盘内径r、裂纹长度a、裂纹倾角θ3个参量,从纯Ⅰ型断裂至纯Ⅱ型断裂,以及Ⅰ-Ⅱ复合型断裂均具有较高的精度。对于KⅠ拟合公式,当θ在0°~15°,r/R在0.05~0.50,a/(R-r)在0.1~0.6范围内时,其计算误差小于8%;当θ在15°~30°,r/R在0.05~0.50,a/(R-r)在0.1~0.4范围内时,其计算误差小于9%。对于KⅡ拟合公式,当θ在0°~30°,r/R在0.10~0.50,a/(R-r)在0.1~0.6范围内时,其计算误差小于10%。