无烟煤断裂韧度与断裂过程区各向异性试验研究

为了测定原生层理构造引起各向异性对无烟煤断裂韧度和断裂过程区(FPZ)孕育特性的影响,在MTS液压伺服试验系统上对不同层理倾角直切槽半圆弯曲(NSCB)无烟煤试样进行了I型三点弯曲加载试验。结合数字图像相关法(DICM)和声发射(AE)定位技术研究了裂纹尖端FPZ孕育过程。同时,基于Irwin-Bazant模型、Strip-yield均匀牵引模型和Strip-yield线性牵引模型,对无烟煤样完全发育FPZ长度进行预测,并与试验结果进行了对比分析。探讨了各向异性无烟煤FPZ几何形态以及不同层理角度无烟煤FPZ孕育过程中剪切和拉伸变形时序特征。结果表明:无烟煤的峰值载荷、峰值位移和断裂韧度均随层理倾角的增加而增大;与0°层理角度煤样相比,层理角度为22.5°、45.0°、67.5°和90.0°的煤样平均断裂韧度分别增大了6.76%、86.82%、85.47%和134.46%。Irwin-Bazant模型和Strip-yield均匀牵引模型预测的不同层理角度试样FPZ长度比试验值更短,而Strip-yield线性牵引模型预测值普遍高于试验值,Strip-yield均匀牵引模型对无烟煤FPZ长度预测与试验值最为接近。表明无烟煤试样裂纹尖端黏聚力分布形态更加趋于均匀。无烟煤试样FPZ长度(L)与断裂韧度(KIC)和抗拉强度(σt)比值的平方成正比:L∝(KIC/σt)2。裂纹尖端变形以拉伸为主,剪切为辅,拉伸变形起始时刻的范围分布于峰值载荷的27.71%~57.26%,剪切变形起始时刻的范围分布于峰值载荷的72.88%~92.40%,裂纹尖端的拉伸变形发生时刻优先于剪切变形。层理角度为0°和45°试样各环向测量线上的应变场分布呈类似洋葱切面纹理分布,而90°试样的最大主应变监测值在大部分测量角度呈波动无序分布。无烟煤试样FPZ尖端各方向发散测线上,应变增加梯度并不相同。

长龄期机制砂再生骨料混凝土的断裂参数和断裂过程区

为研究龄期对机制砂再生骨料混凝土(Manufactured-sand recycled aggregate concrete,MSRAC)断裂机理的影响,采用数字图像相关技术对28 d和300 d龄期的MSRAC的断裂参数和断裂过程区(Fracture process zone,FPZ)进行研究,并对比分析了MSRAC的断裂行为和增韧机制。结果表明,随着龄期延长,MSRAC的名义刚度、断裂能、起裂断裂韧度和失稳断裂韧度得到明显改善,其局部微裂纹和宏观裂纹的相互作用也明显增加,但长龄期MSRAC的失效特征更加迅速和剧烈,软化阶段的脆性显著增加。此外,在裂纹失稳扩展时,MSRAC的FPZ宽度和面积随着龄期延长而增加,FPZ长度则相反。在FPZ完全扩展时,MSRAC的FPZ长度随龄期延长而降低,FPZ宽度则相反,FPZ面积是不敏感的。相比28 d龄期的MSRAC,长龄期的MSRAC具有更加强烈的骨料联锁效应,其次生裂纹和损伤范围也更加明显和宽广。

水力裂缝穿越非连续面扩展时的断裂过程研究

非连续面发育是非常规油气储层的显著地质特征之一,水力裂缝能否穿越非连续面扩展会关系到压裂的改造效果。为研究水力裂缝穿越非连续面扩展时断裂过程区(fracture process zone,简称FPZ)发育特征,采用自主设计的可视化压裂试验装置对含预制摩擦界面的砂岩平板试件开展水力压裂试验。基于数字图像相关法实时监测了水力裂缝正交穿越界面扩展过程中的位移及应变场特征。试验结果表明,水力裂缝穿越界面扩展之前,断裂过程区已经开始跨越界面发育;裂缝能否穿越界面扩展在FPZ的初始发育阶段已经注定,不受FPZ内应力软化过程影响。基于Renshaw-Pollard准则建立了考虑FPZ边界范围的裂缝穿越非连续面扩展准则,并通过前人及文中试验数据进行了可靠性验证。相比而言,改进准则更准确地考虑了裂缝前端线弹性断裂力学的适用范围。研究发现FPZ长宽比对裂缝穿越界面扩展准则有显著影响,相同条件下,FPZ长宽比越大,裂缝正交穿越界面扩展所需要的摩擦系数下限值越小。

基于解析方法的FRP增强混凝土梁失稳前断裂过程分析

为研究FRP增强混凝土梁失稳前断裂过程,该文基于混凝土断裂力学理论和非线性FRP-混凝土界面粘结滑移规律,建立了一个跨中裂缝导致界面脱粘的粘聚区模型,采用解析方法推导了FRP增强混凝土梁界面剪切应力、FRP拉应力以及失稳前断裂韧度的公式,为分析FRP-混凝土界面脱粘提供了一种有效的方法,并开展了动态荷载下4种不同初始缝高比(0.2、0.3、0.4和0.5)的FRP增强混凝土梁三点弯曲试验。结果表明,FRP增强混凝土梁的起裂荷载和阻裂荷载随着初始缝高比的增大而逐渐减小,但初始缝高比为0.4时,试件起裂最晚;起裂韧度和阻裂韧度不随初始缝高比的变化而变化,表现出与其他文献类似的规律,验证了断裂韧度解析解的正确性。

混凝土试样在静态载荷作用下断裂过程的数值模拟研究

提出了一个模拟混凝土断裂过程的细观力学模型,并应用该模型从混凝土的细观非均匀性结构出发,对混凝土试样在单轴和双轴静态载荷作用下的断裂过程进行了数值模拟,给出双轴载荷作用下混凝土的强度包络面。数值模型结果较好地模拟了混凝土试样从裂纹萌生、扩展到宏观裂纹形成的整个断裂过程,与实验结果表现出较好的一致性。

木材断裂过程的研究

运用同步辐射光源，对杉木和马尾松径、弦向切片在拉应力作用下的破坏过程进行了观察．结果显示：木材在径向拉伸荷载的作用下，易在早、晚材分界处出现裂纹，并向早材部分扩展，裂纹扩展路径不规则，在细胞壁处被终止；木材在弦向拉伸荷载的作用下，易在木射线处出现裂纹，并很快在其附近产生更多的裂纹，直至破坏。木材预制裂纹与木材纹理垂直，受顺纹拉伸荷载的作用时，裂纹尖端不沿预制方向扩展，而是顺纹扩展。木射线和纹孔对裂纹扩展起阻碍和终止作用。

混凝土拉伸断裂过程及尺寸效应的数值模拟

混凝土结构的尺寸效应是近几十年来一个十分重要的研究领域。应用材料破坏过程分析软件MFPA2D,把混凝土视为水泥沙浆、骨料及两者间的粘结带构成的三相复合材料,对不同尺寸混凝土单边裂纹紧凑拉伸试样的断裂过程及其强度的尺寸效应进行了数值模拟。数值模拟结果与Bazˇant提出的尺度效应律表现出较好的一致性。

石窟顶板流变断裂过程的数值模拟与反演分析

龙游石窟5号洞顶板在多处有破坏痕迹和离层变形,经现场调研和实测,在洞室出口处顶板离层变形达75～78mm,侧面岩层出现悬臂梁式的破断现象。为了探讨龙游石窟5号洞顶板破坏过程,了解洞室的长期稳定性,基于最大拉应力追踪法和岩石断裂过程的反演数值模型,利用现场实测破坏形态及变形数据,对5号洞进行了流变断裂过程的数值模拟与反演分析。在反演分析过程中,运用正交试验方法,设计了27种数值模拟方案,通过正交试验设计的直观分析,获得了洞室顶板岩层与薄夹层的流变参数和其他敏感参数的最佳组合方案。利用所获得的参数最佳组合方案,对洞室进行了长期稳定性分析和流变断裂过程的数值模拟,数值模拟结果表明,在洞室出口处顶板离层变形达54.24mm,断裂部位与现场破断部位基本相同。此外,流变模拟分析中出现在洞室深部的顶板离层也十分明显,这一现象与现场观察到的表观变形形态比较相近。

铸铁缺口梁断裂过程电测试和结构承载力计算

为探寻带缺口金属件的断裂规律与承载能力,对8种不同切口尺寸的铸铁梁进行了三点弯曲加载实验,并对其中2个铸铁梁进行应变规电测跟踪测试,得到了加载点位移、应变规处断裂损伤区黏聚裂纹张开位移、中性层位置、黏聚裂纹端点位置随载荷的变化曲线.结合粘聚裂纹应力强度因子的计算公式与断裂准则,得到该类材料结构承载力的理论计算数值,并与实验值进行对比,二者符合良好.

混凝土细观力学性质对宏观断裂过程影响的数值试验

从混凝土的细观结构出发,假定混凝土是由砂浆基质、骨料及其它们之间的粘结带组成的三相复合材料,进行了混凝土中各个组成相对于宏观试样断裂特征及其强度影响的数值试验.从数值结果可以看出混凝土中砂浆基质与骨料之间的粘结带对于混凝土的宏观力学性能有较大的影响.普通混凝土在单轴载荷作用下破裂模式的数值试验结果也进一步证实了粘结带在混凝土断裂中所起的重要作用.

基于DIC方法的地聚合物混凝土断裂过程分析

为了量化研究地聚合物混凝土断裂过程参数的演化过程,采用数字图像相关(digital image correlation,DIC)方法及夹持引伸计法对含初始缺口粉煤灰基地聚合物混凝土试样在三点弯曲加载过程中的裂缝口张开位移(CMOD)、裂尖张开位移(CTOD)及裂缝扩展长度进行测试与计算分析.结果表明:DIC测试的裂缝口张开位移与夹持引伸计测试值吻合较好,试样经历了起裂、裂缝的稳态和亚稳态扩展及失稳破坏阶段;基于DIC测试的裂尖张开位移与基于弹性等效的理论计算吻合较好,但基于DIC裂缝扩展长度的测试值与弹性等效裂缝扩展长度的计算值之间存在较大偏差,导致这一差别的主要原因是由于地聚合物混凝土与水泥混凝土一样存在断裂过程区.

混凝土断裂过程及尺寸效应分析

为研究混凝土裂纹断裂过程和最大承载力计算方法,通过实验机对四种不同尺寸混凝土紧凑拉伸断裂试件进行了加载过程实验,并对其中一个试件进行应变片跟踪测试。由实验结果分析得到了一系列关系曲线,如试件的载荷-加载点位移关系曲线,断裂损伤区变形随载荷变化曲线;并且计算了不同尺寸断裂试件的应力强度因子。结合计算粘聚裂纹应力强度因子的公式与断裂准则,完成了对承载力理论值的计算,并将其与实验峰值平均值进行对比,其结果是两者相比误差较小,表明此种计算裂纹结构最大承载力方法是可行的。

基于声发射信号表征混凝土断裂过程的异常现象

混凝土作为一种人工石材,由于浇筑过程的影响,其断裂破坏过程不可避免地存在一定随机性。利用声发射实时动态无损监测技术,分析了带预制裂缝混凝土三点弯曲梁试件裂缝扩展发生偏移和钢筋混凝土三点弯曲梁破坏荷载循环增减等特殊试验现象存在的客观性。试验分析发现,预制裂缝尖端粗骨料的存在,致使裂缝并非沿着预制裂缝直接向前扩展,而是出现绕道扩展的现象;配筋率过大时,钢筋混凝土三点弯曲梁试件的破坏荷载值将维持在钢筋极限屈服强度附近循环变化。可见,钢筋混凝土三点弯曲梁试件的失稳荷载取决于配筋率的高低。研究成果表明声发射技术可为开展混凝土损伤断裂试验提供一种新的研究手段。

基于细观数值模拟的混凝土断裂过程区特性研究

基于细观数值模拟方法研究了混凝土裂缝尖端断裂过程区特性。采用多尺度方法对不同尺寸的三点弯曲梁试件进行建模,并利用非局部损伤模型模拟了断裂过程区的演变过程。结合现有试验对数值计算方法进行了验证。研究表明:基于数值模拟方法得到的荷载—裂缝口张开位移曲线与试验结果吻合较好。峰值荷载时刻对应的临界断裂过程区长度随着试件高度的增加而逐渐增加,临界损伤区域面积亦相应增加,临界断裂过程区长度与试件高度的比值随试件高度的增加趋于稳定。

用能量方法研究混凝土断裂过程区的力学性能

准脆性混凝土自由裂缝前缘断裂过程区的发展与其非线性断裂特征及尺寸效应现象密切相关。它的物理力学行为的量化分析对理解混凝土断裂破坏机理和建立适用于混凝土结构裂缝稳定分析和安全评估断裂准则尤为重要,一直是混凝土断裂力学研究的核心问题。该文依据Hillerborg给出的断裂能定义,给出了计算单位长度断裂过程区发展能量耗散的通用表达式。以三点弯曲梁为例,采用非线性软化本构关系,进一步给出了计算此平均能量耗散的具体步骤及对应的公式。在根据实测的三点弯曲梁的断裂能回归拟合了特征裂缝张开位移w0后,计算了每个试件整个断裂全过程中不同荷载时刻断裂过程区耗能的平均值。结果表明:随着裂缝扩展,断裂过程区能量耗散的变化和试件尺寸无关,可描述断裂过程区混凝土材料的力学性能。

基于裂纹尖端二阶弹性解的断裂过程区尺度

基于Westergaard应力函数裂纹尖端二阶弹性解,推导了裂纹尖端微裂区的轮廓线和特征尺寸的解析表达式;采用幂函数模型描述的拉应变软化模型,确定了在最大拉应力强度理论和最大拉应变强度理论下断裂过程区(FPZ)临界值的解析表达式;将基于Westergaard应力函数一阶弹性解及二阶弹性解、Muskhelishvili应力函数和Duan-Nakagawa模型确定的FPZ临界值进行了比较。结果表明裂纹尖端微裂区和FPZ临界值随着Poisson比的减小而增加并逐渐趋近于应用最大拉应力强度理论确定的结果;二阶弹性解确定的裂纹尖端微裂区和FPZ临界值大于一阶弹性解的值;FPZ临界值随着拉应变软化指数的增加而增加;二阶弹性解确定的FPZ临界值的精度远高于一阶弹性解确定的值。

地铁扣件螺旋道钉断裂过程分析及改进措施

引入扩展有限元方法,结合现场调研与实测数据,建立均匀受力理想状态和偏载受力不利工况下螺旋道钉扩展有限元模型,通过预设横向、竖向微裂纹以及单条和多条微裂纹工况,分析研究了扣件螺旋道钉的裂纹发展过程.结果表明,由于螺旋道钉的道钉头部和螺杆结合部位存在较大的结构尺寸变化,导致了该处存在较大的应力集中,易萌生微裂纹,并在列车荷载长期作用下裂纹沿着横向扩展、贯通.对比看出,研究结果与实际扣件螺旋道钉的断裂形式相符,表明采用扩展有限元方法能很好地进行扣件螺旋道钉的断裂过程分析.此外,为避免和减少螺旋道钉的断裂发生,分13种工况研究了螺旋道钉肩胛过渡圆弧的设置.研究结果建议,对于T30×155型扣件螺旋道钉应设置1.6 mm半径的过渡圆弧,相对于不设置过渡圆弧,最大应力可减小40%.

考虑断裂过程区的混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型断裂判据研究

根据以前的混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型断裂实验资料,同时采用数值模拟实验的方法,基于双K断裂准则,分别计算了混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型断裂试件失稳断裂破坏时,断裂过程区影响的临界有效裂缝长度ac及应力强度因子KⅠ、KⅡ。根据分析计算结果,建立了考虑断裂过程区的新的Ⅰ-Ⅱ复合型断裂K判据,并与课题组以前的K判据作了分析比较。

整体式卡瓦断裂过程的有限元分析

耐高温高压封隔器大都采用整体式双向卡瓦,而国内缺乏对整体式卡瓦受力及断裂过程的相关研究。为此,运用现代设计理论及ANSYS软件,对整体式卡瓦断裂过程进行了有限元分析,得到了卡瓦的初次断裂、二次断裂及最终断裂临界点,绘制出卡瓦外载荷-轴向位移关系曲线图。有限元分析结果为以后根据封隔器实际工作情况设定合理的坐封载荷及对整体式卡瓦的结构尺寸进行优化设计提供了参考依据。

单向拉伸复合材料断裂过程的计算机模拟

本文在提出新的复合材料模型的基础上，推导了应变集中系数的方程，然后通过蒙特卡罗法模拟单向复合材料的拉伸断裂过程并进行比较，比较后得出了基体对复合材料断裂过程的影响。