V型切口脆性断裂的最大周向应力准则

基于2个基本假设,建立了I-II复合型V型切口脆性断裂的最大周向应力准则。给出了I型V型切口的临界应力强度因子与I型裂纹的临界应力强度因子之间的关系,并用有机玻璃板材加工成2种I-II复合型V型切口试样,进行了实验验证。实验结果表明,所提出的I-II复合型V型切口脆性断裂的最大周向应力准则与实验结果基本吻合。

结合材料界面端脆性断裂的最大周向应力准则

基于结合材料界面端附近的线弹性奇异应力场和单一材料I-II复合型V型切口的脆性断裂准则,提出了结合材料界面端脆性断裂的最大周向应力准则;为了检验该断裂准则的正确性,用有机玻璃(PMMA)和铝(AL)2种材料加工成2种结合角的界面端试样,进行拉伸破坏试验,应用上述断裂准则对试样在界面端的起裂方向和相应的临界载荷进行了预测;并与试验结果进行了比较,试验结果表明,理论预测结果与试验结果比较吻合。

基于最大周向应力准则的滑塌式危岩稳定性分析

我国山地地形分布广泛,山体危岩崩塌是山区的主要地质灾害之一.为了研究不同裂缝角度、水平地震力和垂直地震力等因素对危岩体安全系数的影响规律,运用最大周向应力准则对贵州高原与四川盆地交接地带的赤水河深切“V”型河谷的某危岩体进行稳定性分析,得出如下结论:危岩体安全系数随着裂缝角度的增大而减小,但在裂缝角度小于55°时,危岩体安全系数减小速度较快,裂缝角度大于55°时,安全系数减小速度较慢;危岩体安全系数随水平地震系数或垂直地震系数的增大而减小,且为线性减小趋势;水平地震力对危岩体的危害程度高于相等大小下的垂直地震力.

基于最大周向应力准则的滑塌式危岩稳定性分析

我国山地地形分布广泛,山体危岩崩塌是山区的主要地质灾害之一。为了研究不同裂缝角度、水平地震力和垂直地震力等因素对危岩体安全系数的影响规律,运用最大周向应力准则对贵州高原与四川盆地交接地带的赤水河深切"V"型河谷的某危岩体进行稳定性分析,得出如下结论:危岩体安全系数随着裂缝角度的增大而减小,但在裂缝角度小于55°时,危岩体安全系数减小速度较快,裂缝角度大于55°时,安全系数减小速度较慢;危岩体安全系数随水平地震系数或垂直地震系数的增大而减小,且为线性减小趋势;水平地震力对危岩体的危害程度高于相等大小下的垂直地震力。

基于GMTS准则的T应力对岩石断裂韧性影响研究

为检验和提高最大周向应力准则对线弹性材料复合型裂纹扩展预测的精确性,考虑T应力在脆性断裂中的作用,建立了广义最大周向应力准则。广义最大周向应力准则描述了变量Ⅰ型和Ⅱ型断裂应力强度因子、断裂韧性KⅠ和KⅡ、平行裂纹的应力分量T应力以及临界裂纹扩展区半径对裂纹断裂强度在应力强度因子空间分布特征的影响。T应力的加入使裂纹尖端应力场解析式对裂纹尖端应力分布的描述更加精确,因而提高了对裂纹扩展特征的预测精度。研究结果表明:T应力对断裂韧度预测结果影响显著,特别是在Ⅱ型断裂占主导地位时,影响更大;随着围压的增大,不同裂纹扩展区半径材料的断裂强度在应力强度因子空间内的分布特征逐渐趋于一致,且Ⅱ型断裂在复合型断裂所占的比例逐渐减小。脆性材料裂纹扩展受到裂纹尖端奇异应力K及常数项T应力的共同控制,考虑裂纹尖端Williams级数解高阶项的影响提高了对裂纹断裂韧度预测的精度。

热疲劳斜裂纹应力强度因子有限元分析

用有限元方法和最大周向应力准则计算了热疲劳斜裂纹的应力强度因子和开裂角的周期变化规律.计算表明:在加热过程中,模型内产生压缩热应力,使两裂纹面相互挤压、错开;由于加热过程生成的压缩塑性变形不能自由恢复,在降温过程的后期产生拉应力使裂纹张开;热疲劳斜裂纹在加热过程以及降温过程的前期是纯Ⅱ型,KⅡ在加热过程结束时达到最大值,在降温过程的后期是Ⅰ,Ⅱ复合型,降温过程结束时KⅠ,Ke达到最大值,裂纹在此时最易开裂.

T应力对Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹临界应力强度因子的影响

传统最大周向应力准则中的裂尖应力只考虑应力奇异项,通过引入应力非奇异项,对裂尖应力修正后得到了修正最大周向应力准则。与传统最大周向应力准则相比,该准则预测的开裂时的应力强度因子与实验值更加吻合。计算分析了半圆受弯(Semi-Circle Bend,SCB)试件在I-II不同组合模式下复合型裂纹开裂时的临界应力强度因子。算例结果表明,考虑应力后,临界应力强度因子的计算精度提高。

考虑T应力的岩石压剪裂纹起裂机理

传统断裂理论在研究岩石压剪裂纹起裂机理时,往往仅考虑裂纹尖端应力场Williams展开式中的r1/2奇异应力项,而忽略了非奇异应力项(T应力)的影响,造成理论预测值与试验结果不符。在对压剪应力下裂纹受力特征进行分析的基础上,将T应力引入传统断裂力学的最大周向应力准则,提出了考虑T应力的修正最大周向应力准则。同时考虑压剪应力下的裂纹应力传递特点,在上述准则中又引入裂纹面法向刚度及切向刚度等变形参数。最终建立了能够同时考虑岩石性质和裂纹几何参数(如裂纹倾角、长度等)、强度参数(裂纹面摩擦系数)及变形参数(裂纹面法向及切向刚度)的最大周向应力准则,更好地反映了岩石压剪裂纹起裂机理。算例表明由该方法计算得到的翼裂纹起裂角与试验结果吻合较好,同时通过参数敏感性分析发现裂纹尖端相对临界尺寸对翼裂纹起裂角的影响最大。

T应力对半圆盘岩石试件裂纹断裂及扩展机理研究

为将常规的最大周向应力扩展准则与考虑T应力的修正最大周向应力准则的理论预测结果及试验测试结果进行对比,验证笔者建立的修正最大周向应力裂纹扩展准则的准确性,得到T应力对断裂韧性及裂纹扩展规律的影响,采用三点弯曲半圆盘试件,通过改变预制裂纹方向,对Ⅰ-Ⅱ复合型断裂韧性和裂纹起始扩展角进行了研究。研究结果表明:当考虑T应力后,纯Ⅰ型裂纹扩展角不再保持为0,裂纹扩展方向发生偏折;关于Ⅰ-Ⅱ复合型断裂而言,当T应力为正时,材料抵抗裂纹继续扩展的能力增强,断裂强度增大;当T应力为负时,材料抵抗裂纹继续扩展的能力减弱,断裂韧性会减小。T应力对裂纹起裂角及临界应力强度因子的影响是不可忽略的,尤其是对Ⅱ型断裂影响更为显著,GMTS准则能够更好的预测岩石复合型裂纹初始扩展角及断裂韧性。

基于GMTS准则的岩石复合型断裂机理研究

使用国际岩石力学协会规定的半圆盘岩石试件,加工不同倾角的直裂纹试样,通过三点弯曲加载试验得到不同I-II复合比断裂的断裂韧性和初始断裂角.传统裂纹扩展准则忽视了常数项即T应力及更高阶项的影响,导致该扩展准则的理论预测结果存在较大缺陷,本文通过考虑常数项,建立广义最大周向应力准则(GMTS).在此基础上,分别采用传统的裂纹扩展准则和考虑T应力的裂纹扩展准则预测不同复合比裂纹的断裂韧性和初始扩展角,然后对比理论预测结果和实验结果.分析可得:常数项即T应力对断裂的临界应力强度因子和初始断裂角的影响是不可忽略的,且II型断裂占比较大时影响更大,广义最大周向应力准则预测值与实验测试结果之间的误差最小.

受压岩石断裂准则研究

首先建立双向压缩条件下形成单一闭合裂纹的力学模型,考虑摩擦力的影响,计算出裂纹面的正应力和剪应力。分别运用有效剪应力准则和最大周向应力准则计算裂纹的初始断裂角。运用有效剪应力准则得出的初始断裂角只与岩石的抗拉强度和抗压强度之比有关。运用最大周向应力准则得出的初始断裂角受裂纹和荷载方向的夹角、裂纹面之间的摩擦系数、侧压力系数的影响。将两种理论分析的结果与实验结果进行对比分析得出:考虑摩擦力的最大周向应力准则更接近裂纹扩展的实际情况,建议工程中更多的采用该准则,而有效剪应力准则与实验结果不相符,有待完善。岩石闭合裂纹的扩展及断裂是一个复杂的过程,有待深入分析研究。

T应力对复合型断裂韧度的影响

作为结构疲劳裂纹重要的断裂参数之一,应力强度因子可反映裂纹尖端应力场的强度。但实验发现,在求解断裂角时,裂纹尖端应力场中的T应力项对数值计算结果影响较大。文中采用Ansys 15.0中的相互作用积分法来求解应力强度因子和T应力,分析含裂纹结构的几何尺寸、载荷大小、初始裂纹长度和裂纹角对SIF和T应力的影响,对比考虑T应力后的最大周向应力准则MTS和传统的MTS,分析了T应力对裂纹扩展方向的影响。

T应力对脆性材料初始裂纹起裂角影响研究

为检验和提高MTS准则对线弹性材料复合型裂纹扩展预测的精确性,考虑了T应力在脆性断裂中的作用,建立了广义MTS准则。该准则描述了变量Ⅰ型和Ⅱ型断裂应力强度因子、断裂韧性KⅠ和KⅡ、平行裂纹的应力分量T应力以及临界裂纹扩展区半径对裂纹扩展的影响,对裂纹尖端应力分布的描述更加精确。研究结果表明:考虑T应力后,初始起裂角随裂纹倾角增大呈现先增大后减小的趋势;相比于GMTS准则预测结果,在β>45°时MTS准则预测起裂角偏大,且起裂角对T应力变化更加敏感;而在β>45°时预测结果受T应力变化影响均偏小;对于复合型裂纹,由GMTS准则计算得到的断裂角与传统MTS计算得到的结果区别很大。脆性材料裂纹扩展受到裂纹尖端奇异应力K及常数项T应力的共同控制,通过考虑裂纹尖端Williams级数解高阶项的影响提高了对裂尖应力分布的描述精度。

T应力分量对压剪闭合裂纹张拉起裂角的影响研究

传统的断裂力学理论仅考虑裂纹尖端应力场Williams展开项中的奇异应力项,对于裂纹起裂角的理论预测值和试验值存在较大差异。为研究T应力(非奇异应力项)对压剪闭合裂纹张拉起裂角的影响,首先,推导得出压剪应力状态下闭合裂纹尖端附近应力的理论解,并将T应力引入传统断裂准则,对周向应力准则进行修正;其次,针对考虑不同T应力分量的3种情况分别进行参数敏感性分析;最后,将理论预测值与已有文献试验值进行对比。结果表明:T应力分量对闭合裂纹起裂角预测值有显著影响;通过参数敏感性分析发现临界距离对裂纹起裂角影响最大;同时考虑T_x、T_y和T_(xy) 3种应力分量起裂角预测值居于仅考虑T_x应力分量和考虑T_x和T_y分量之间,且同时考虑3种T应力分量起裂角预测值与试验值吻合较好。

I-II复合型V型切口脆性断裂的数值模拟

基于I-II复合型V型切口脆性断裂的最大周向应力准则,用有限元分析软件ANSYS对含V型切口拉伸板的开裂过程中的临界载荷和开裂角进行数值模拟。为了检验数值模拟结果的正确性,用有机玻璃板材加工成3根上述数值模拟的V型切口试样,在电子万能试验机上进行拉伸试验;试验结果与数值模拟结果基本吻合。

碳纤维布加固松木梁受弯试验

为研究碳纤维布加固矩形松木梁的受弯性能,通过抗弯性能试验,并结合有限元数值计算,研究了弹性模量、碳纤维布层数、初始裂缝与抗弯承载力之间的关系;在给定的2种初始裂缝情况下,采用虚拟裂纹闭合法进行应力强度因子计算,并使用最大周向应力准则作为断裂判据;基于试验数据和有限元计算结果,提出碳纤维布加固松木梁抗弯承载力的计算公式。结果表明:松木梁经碳纤维布加固后,其抗弯承载力提高幅度为12.9%~34.5%;松木梁截面应变沿高度方向的分布基本符合平截面假定;当碳纤维布弹性模量在加固松木梁弹性模量30倍以内时,随着碳纤维布弹性模量的增加,木梁的抗弯承载力显著升高,但超过这一限值后,提高速度逐渐减慢;计算得出松木梁在考虑初始裂缝情况下的抗弯承载力削减幅度为6.5%~27.3%,并且刚度有一定程度降低;综合考虑计算结果与经济效应,可以认为加固矩形松木梁时使用3层或4层碳纤维布加固最为合理。

航空结构铝合金Ⅰ/Ⅱ复合型断裂的三维弹塑性数值分析

在LC4CS铝合金三维Ⅰ/Ⅱ复合型断裂实验的基础上,对Ⅰ/Ⅱ复合型加载模型进行了细致的三维弹塑性有限元计算,系统分析了不同复合度Φ和厚度B对裂纹端部应力场和起裂角的影响。结果表明,对于不同Φ和B的试样,周向应力极大值和三维离面约束因子极小值出现在相同的角度;根据最大周向应力准则,在Ⅰ型载荷占主导(eβq>65.45°)时,三维有限元计算的裂纹起裂角比采用二维MTS准则预测的起裂角更加接近实验结果。实验中8 mm厚度下的复合型断裂具有比采用现有二维断裂准则的预测值更小的起裂角,说明需要发展更加接近实际情况的新的三维复合型断裂准则。

各向异性地层定向射孔压裂裂缝发展形态研究

裂缝发展形态对油气井压裂增产效果有着重要的影响,定向射孔技术能对裂缝发展进行定向引导。基于各向异性弹性力学原理及边界元方法,建立了各向异性地层中定向射孔压裂条件下裂缝的扩展模形,基于最大周向应力准则建立了裂缝开裂角度的计算方法,编制了各向异性地层中裂缝发展形态的计算程序。通过数值解与解析解对比验证了方法的正确性。研究结果表明,定向射孔压裂可产生“S”形裂缝,裂缝转向半径随着弹性模量各向异性比值的增大而缓慢增加,裂缝转向半径随着射孔角度的增大而增加。研究结果可为定向射孔压裂技术的研究与应用提供理论支撑。

基于Seam型裂纹的复合型裂纹起裂角预测的有限元法

目的对处于多轴应力状态下的复合型裂纹起裂角进行预测。方法考虑材料的弹性性能,利用商业有限元软件ABAQUS中的Seam裂纹模拟穿透型裂纹损伤,建立双轴载荷作用下中心带孔边裂纹板的三维有限元模型,通过位移外推法得到裂纹尖端的应力强度因子(Stress Intensity Factor,SIF),并利用求得的SIF基于最大周向应力断裂准则预测孔边裂纹的起裂角。结果通过与相关文献结果进行对比,发现通过该有限元方法计算得到的应力强度因子与文献结果的最大误差在2%以内,预测的裂纹起裂角与文献结果的最大误差在3%以内。结论该有限元方法计算的裂纹起裂角与文献结果一致,因此文中求解复合型裂纹起裂角所使用的有限元方法是可靠有效的。

钢纤维增强水泥基复合材料增韧机理研究

钢纤维可有效阻碍水泥基材料中微裂缝的产生和发展,提高其抗裂能力。基于Eshebly等效夹杂理论和最大周向应力准则,获得了平面应力条件下无限大薄板中裂缝与钢纤维相互作用的应力强度因子(SIF)解,推导了掺入纤维后的Ⅰ-Ⅱ复合型断裂裂缝尖端最大应力表达式。根据掺入钢纤维前后裂缝尖端最大应力比,分析了钢纤维方向、位置和弹性模量对增韧效果的影响。结果表明,钢纤维通过改变裂缝尖端应变场,影响应力强度因子,从而降低尖端最大应力。当钢纤维方向与裂缝方向垂直时,裂缝尖端最大应力比最小,定向后钢纤维的增韧效果最明显。钢纤维的增韧效果主要受纤维方向影响,而受纤维弹性模量的影响小。