曲线翼型裂纹扩展路径理论分析及试验验证

采用数值和试验的方法对翼型裂纹的扩展路径进行分析,发现单轴下张开型裂纹的翼型裂纹的扩展路径逼近于过原主裂纹中心点、平行于最大主应力的一条直线。基于翼型裂纹路径这个特点,采用了双曲线参数方程近似表达真实翼型裂纹的扩展路径,通过翼型裂纹的起裂角、起裂点及翼型裂纹的渐近线方程求解了双曲线方程中的未知参数。采用双曲线翼型裂纹路径和试验中所得翼型裂纹路径进行了对比分析,二者吻合得很好,验证了采用双曲线近似表示真实存在的翼型裂纹模型的正确性。应用双曲线翼型裂纹模型对翼型裂纹的扩展和失稳进行分析,采用ABAQUS求解了双曲线翼型裂纹模型的应力强度因子,并与试验进行对比,发现双曲线翼型裂纹模型能很好地解释翼型裂纹的实际扩展规律,这表明了采用双曲线近似表示真实翼型裂纹路径的有效性。

翼型裂纹扩展特性的试验和数值分析

采用模型试验研究了受压条件下张开型翼型裂纹的断裂规律,得出了翼型裂纹的扩展路径及翼型裂纹的扩展载荷特性。通过PYTHON语言对有限元软件ABAQUS进行了二次开发,实现了裂纹扩展中网格自动重新划分功能,对裂纹的扩展过程进行了数值模拟,得出了裂纹扩展路径及其复合应力强度因子的大小。计算结果与试验结果吻合良好。结果表明:(1)压缩作用下张开型裂纹,其翼型裂纹路径具有明显渐近特征,其扩展路径的渐近线为过初始裂纹中心点、且平行于最大主应力方向的一条直线;(2)曲线翼型裂纹的复合应力强度因子大体上随翼型裂纹的长度的增加逐渐变小;对有限尺寸的裂纹体,当翼型裂纹长度较大时,其大小受边界效应影响明显。以上结论为研究岩土工程中存在的翼型裂纹扩展和失稳规律提供参考。

混凝土类材料翼型裂纹模型及RFPA数值模拟验证

翼型裂纹模型被广泛应用于混凝土类材料压剪断裂分析及损伤分析。针对较为典型的6种翼型裂纹应力强度因子计算模型,综合考虑主裂面方位、翼型裂纹方位、侧向围压及翼型裂纹当量长度的影响,对各计算模型进行了系统的对比分析;利用岩石破裂过程分析系统(RFPA)软件,进行了混凝土含中心预置裂纹的平板在轴向压缩荷载和不同侧向围压作用下破裂过程的数值模拟。数值模拟再现了不同侧向围压水平下平板试样所表现出不同的破裂模式以及主裂纹的扩展过程,得到的破裂模式结果与翼型裂纹模型预测结果十分吻合。最后综合得到一些有益的结论和建议,可为选用翼型裂纹计算模型进行脆性材料压剪断裂和损伤分析提供参考。

含预制裂纹陶瓷圆盘劈裂破坏的离散元模拟

为研究氧化铝陶瓷在冲击载荷作用下的裂纹演化过程,对平台圆盘陶瓷开展动态巴西劈裂的离散元数值计算研究。利用离散元颗粒流软件建立陶瓷试件冲击加载实验的数值计算模型,分析了不同倾角(预制裂纹与加载方向的夹角)的试件在冲击载荷下的裂纹演化过程和破坏形式,并结合复合型裂纹尖端的应力场分布分析了翼型裂纹起裂和扩展规律。研究结果表明:平台圆盘试件的裂纹首先产生于中心部位,之后次生裂纹从圆盘边缘处萌生扩展,试件最终呈现拉伸破坏模式;离散元模拟结果与基于分离式霍普金森压杆装置的动态巴西劈裂的实验现象吻合;预制裂纹倾角为0°~60°时,改变倾角可以产生介于Ⅰ型与Ⅱ型裂纹之间的复合型裂纹,试件上主裂纹从预制裂纹尖端处成核扩展,表现为翼型裂纹扩展类型(扩展的曲率逐渐趋于零);试件裂纹的起裂角度随着预制裂纹倾角的增加而增大,起裂应力呈现先降低后升高的趋势;当预制裂纹倾角为30°时,试件最易发生开裂。

岩石三维表面裂纹扩展机理数值模拟研究

岩石破坏的本质原因是由于内部裂隙的萌生、扩展与贯通过程。从三维的角度出发,采用细观损伤数值模拟方法,模拟单轴压缩下含预制三维表面裂纹的岩石试样的破坏过程。数值模拟得到了表面裂隙内部扩展、贯通过程,动态再现翼型裂纹、壳体裂纹的形态,探讨三维裂纹内部的受力机制,推测可能发生的断裂类型,进一步探讨三维裂纹扩展规律。研究结果表明:①反翼型裂纹并不一定萌生于预制裂纹端部,是由于翼型裂纹扩展后应力释放后的拉应力引起;②壳体裂纹的萌生与扩展阶段是由Ⅲ型加载断裂主导,而翼型裂纹扩展至一定长度之后停滞不前;③除了反翼型裂纹之外,还新发现了一种由壳体裂纹萌生出的次生裂纹,这种裂纹的扩展引起试样整体失稳崩溃;④岩石Ⅲ型加载(反平面剪切)难以获得Ⅲ型断裂破坏,壳体裂纹是由于Ⅲ型加载下的拉应力引起,实际上属于Ⅰ型与Ⅱ型复合裂纹;⑤非均匀性对岩石表面裂纹扩展影响很大,相对均匀岩石中难以出现曲线翼型裂纹或反翼裂纹。研究结果对于岩石三维裂隙扩展机理的物理力学实验与理论分析都具有参考意义。

基于裂纹扩展模型的深部硐室围岩致裂规律

根据岩体的非均匀性和存在初始裂纹的特征,在二维有限差分程序中建立了非均质体二维模型,并在模型中考虑初始裂纹的影响,利用程序中的自带编译语言,实现了服从不同分布的初始裂纹的长度和角度的赋值。在模型中,利用亚临界裂纹扩展理论描述与时间相关的裂纹亚临界扩展过程,计算过程可体现裂纹扩展的时间效应,从而实现对所模拟结构的寿命预测。模型中裂纹的扩展方式假定为形成翼型裂纹的形式,利用翼型裂纹的简化模型对裂纹的扩展尺寸,应力强度因子等参数进行计算。在每一计算步中,每个单元中的裂纹扩展方向与该时刻单元所受应力情况相关,应力强度因子与该单元所受应力大小及翼型裂纹简化长度相关。利用该模型对高地应力条件下孔洞开挖卸荷导致围岩破坏的过程进行模拟,分析了深部岩体开挖导致的围岩破坏规律,对不同的孔洞形状和初始裂纹的分布情况分别进行了分析,计算结果显示了非连续破裂的形成与初始裂纹角度分布的关系:分区破裂的表现形态与初始裂纹和最大压应力的夹角相关,并且不同初始裂纹角度均值也会导致围岩破裂时间不同。通过建立的多种孔洞形状开挖模型,对不同孔洞形状围岩破裂形态及破坏时间的规律进行总结,发现相同计算步数内方形孔洞周边围岩处破坏单元数量最多,圆形孔洞周边围岩破坏单元数量最少。研究结果证实了裂纹的分布对孔洞周边围岩破坏形态的影响,对裂纹扩展的时间效应的分析可实现对围岩破坏程度和范围的预测,可为深部高地应力条件下诱导致裂非爆连续开采的实施时间和方式提供指导。

压缩载荷作用下分支裂纹断裂与扩展的数值和实验研究

材料中裂纹形态比较复杂,有弯曲,交叉或者分支等等,通过数值和实验的方法研究了在压缩载荷作用下分支裂纹的断裂问题,考虑分支裂纹倾角和长度对应力强度因子和裂纹扩展的影响。结果表明:裂纹倾角的增加使I型应力强度因子减小,而裂纹长度的增大使应力强度因子增大,长度较大的分支裂纹对长度较小的有一定的抑制作用。通过对张开型分支裂纹和弯折裂纹砂岩试件的单轴压缩试验,发现砂岩试件的破坏形式主要是以I型翼型裂纹扩展为主,其起裂位置距离裂纹尖端的距离随着分支裂纹角度的增大而减小;分支裂纹倾角越大,其翼型裂纹起裂角就越小但相应的起裂载荷却越大。还对张开型裂纹和闭合型裂纹做了一定的比较,发现张开型裂纹的起裂角要大于闭合型裂纹的起裂角,但其起裂载荷却正好相反。

冲击压缩下准脆性材料含微裂纹损伤的本构模型

基于准脆性材料中翼型拉伸裂纹的成核准则,运用细观损伤理论推导了翼型裂纹损伤对材料弹性模量的弱化作用。考虑裂纹扩展对材料动态断裂的滞后效应,建立了动态裂纹扩展准则,并给出损伤演化方程,在此基础上建立了准脆性材料单轴冲击压缩下的动态损伤本构模型。结合氧化铝陶瓷材料独特的力学响应和破坏特性,讨论了模型中微裂纹成核参数、微裂纹尺寸对动态断裂强度的影响,并用该模型计算了单轴压缩下氧化铝陶瓷的应力应变曲线,数值结果与实验结果吻合良好。

裂纹面动摩擦作用对脆性材料动力破坏的影响

基于岩石类材料的I型裂纹模型,提出了一种考虑裂纹密度、裂纹相互作用以及裂纹面动摩擦作用的脆性材料动力模型。以正方形阵列分布的裂纹为例,定量分析了不同裂纹密度及不同摩擦行为对试件的裂纹扩展过程、试件受力和破坏的影响。数值计算结果表明:随着裂纹密度增大,裂纹间的相互作用增强,试件破坏时的加载应力降低,惯性效应引起试件轴向附加应力增大。裂纹面的滑动会降低裂纹面的动摩擦系数,促进裂纹发展,并降低试件的强度。相对于常数摩擦系数,考虑速度及状态依赖型摩擦模型对裂纹面的滑动过程更为合理。动强度因子对比结果显示出试件明显的应变率效应和尺寸效应。

饱和混凝土静动力抗压强度变化的细观力学机理

已有的试验研究表明,不同加载速率下,饱和混凝土中的自由水对其力学性能有着不同的影响,与干燥混凝土相比,准静态荷载作用下饱和混凝土的抗压强度有所降低,动力荷载作用下饱和混凝土的抗压强度增高的较多。本文在翼型裂纹的基础上,考虑裂纹之间的相互作用、裂纹扩展速度对应力强度因子及孔隙水压力对裂纹扩展的影响,利用弹性断裂力学理论探讨了饱和混凝土的静、动力抗压强度变化机理并建立了理论模型。分析认为,慢速加载时,裂纹中的自由水可以达到缝尖,自由水的楔入作用加速了裂纹的扩展,降低了混凝土的强度;快速加载时,裂纹中的自由水较难达到缝尖,受负的孔隙水压力和自由水黏度及Stefan效应影响,饱和混凝土的动力抗压强度升高。模型计算与试验结果较为一致,表明本文理论模型可以较好地反映饱和混凝土静、动力抗压强度的变化机理。

人字形切槽巴西圆盘岩石试样复合型断裂渐进过程数值模拟研究

人字形切槽巴西圆盘(CCNBD)岩石试样由于诸多优点,被国际岩石力学学会确定为岩石I型断裂韧度测试建议方法,并被众多学者应用于复合型(包括纯Ⅱ型)断裂试验研究。然而,CCNBD在复合型荷载下的渐进断裂机理尚未完全获悉,复合型断裂韧度测试基于的穿透直裂纹扩展假设并未严格评估,用于复合型断裂研究的合理性还未得到有效验证。采用细观损伤力学软件首次模拟得到CCNBD在复合型荷载下的渐进破坏过程。结果显示:裂纹不仅萌生于人字形韧带尖端,且易产生于切槽边缘,造成真实裂纹前缘为曲线形,与人字形切槽试样断裂韧度测试所基于的穿透直裂纹假设不符;裂纹并非沿着预制人字形韧带平面扩展到其根部,切槽边缘的破裂方向均朝向加载端,形成扭曲的三维翼形裂纹。数值模拟结果同物理实验对比,十分吻合。CCNBD的裂纹形态和渐进扩展规律不符合当前普遍采用的复合型测试原理,因此采用CCNBD试样进行岩石复合型(包括纯Ⅱ型)断裂韧度测试值得商榷。

基于扩展有限元的压剪复合断裂数值分析

针对岩石类材料压剪破坏,国内外学者做了大量真实岩石和模型材料的试验,并进行相应的数值模拟工作。但由于试验结果往往具有很强的离散性,且对影响试验结果的各因素缺乏系统地理论分析,加之传统常规有限元在处理裂纹这类强不连续问题时存在很大的困难,如在裂尖附近的高应力区需要剖分令人难以接受的密度的网格,同时在模拟裂纹生长时还需要对网格进行重新剖分,操作繁琐复杂,效率极低,因此,针对压剪复合断裂翼裂纹扩展规律的研究始终没有取得令人满意的成果。对原生裂纹的几何形态,主裂纹面与其间填充物的相互作用对翼裂纹起裂角的影响做了系统的理论分析,并利用扩展有限元对翼型裂纹扩展全过程进行数值模拟,与理论分析结果对比,吻合良好。相关成果为以后针对压剪复合断裂的研究提供了理论分析框架,同时对今后相关试验的开展具有理论指导作用。

陶瓷材料动态压缩损伤本构模型

运用细观损伤力学理论,从动态压缩载荷下陶瓷材料内翼型裂纹的产生和扩展的损伤机理出发,建立了陶瓷材料的弹脆性动态损伤本构模型,给出相应的损伤演化方程.假设裂纹成核满足Weibull分布,讨论了成核分布参数、原始缺陷尺寸对材料动态断裂应力、断裂应变的影响,并用动态损伤演化模型计算了冲击载荷下AD90陶瓷的动态应力应变曲线,计算结果和实验结果符合很好.

长杆弹撞击装甲陶瓷界面击溃/侵彻转变速度理论模型

为预测长杆弹撞击装甲陶瓷界面击溃/侵彻转变过程,采用Hertz接触理论确定靶体内部应力,将其分别应用于陶瓷锥裂纹与翼型裂纹扩展理论。通过比较两种裂纹扩展模型计算得到的界面击溃/侵彻转变速度,提出准确预测界面击溃/侵彻转变速度的理论模型。结果表明:将两种裂纹扩展理论相结合的理论模型可以合理地解释界面击溃/侵彻转变过程,转变速度计算结果与已有实验结果吻合较好。弹体半径较小时,锥裂纹扩展控制界面击溃/侵彻转变过程;弹体半径较大时,翼型裂纹扩展控制界面击溃/侵彻转变过程。

水库护坡静冰压力及断裂韧度测试研究

该文结合典型水库的实际工程问题,将断裂力学引入进来,从断裂力学的角度分析了该水库护坡产生冰冻破坏的主要原因,针对冰体材料对应变速率反应敏感的特性,在满足R条件下,对其进行了符合脆性破坏的断裂力学试验,并分别得到相应的断裂韧度值KIC和GC。同时,将其同采用半解析有限元法计算所得到的数值解相比较,两者结果相近、规律相同,进而说明该理论模型及其研究方法是合理有效的。为季节性冻土地区水库护坡抗冰冻破坏问题的研究进行了有意义的尝试,并为其设计提供了参考和依据。

内置三维裂隙非均匀性岩石渐进破坏数值研究

岩石内部裂隙缺陷对新裂纹的萌生扩展有显著影响,导致岩石强度大幅降低甚至破坏.研究内置缺陷岩石裂纹的萌生、演化与微破裂分布,有助于揭示岩体渐进破坏规律,具有重要的工程意义.采用细观损伤数值方法对单轴压缩下内置裂隙岩石的破坏进行研究,再现不同均质度岩石微破裂萌生、发育、扩展、贯通直至破坏以及整个过程的声发射分布.将数值试验同物理实验比较,结合前人研究进行分析.结果表明,内置三维裂隙岩石裂纹扩展和破坏过程与相应物理实验总体上一致;在较均质岩石中观察到反翼型裂纹,揭示出反翼型裂纹主动偏向翼型裂纹扩展的现象;鱼鳍状裂纹在椭圆裂隙扩展试验中极易出现,并在均质岩石中表现为翼型裂纹与反翼型裂纹以卷曲面形式扩展形成包裹状破裂面;岩石非均匀性对其应力场,强度,声发射和破坏形式有显著影响,均质性差的岩石易沿着内置斜裂隙发生单截面剪切破坏;细观损伤数值方法可以模拟岩石破裂全过程并揭示微破裂空间位移、聚集规律,研究结果可为研究岩石破坏机理的物理实验和理论分析提供借鉴.

渗流-应力耦合下的裂隙岩体劈裂模型研究

针对渗流-应力耦合作用下裂隙岩体的劈裂破坏现象,首先采用流固耦合理论计算单元应力,其次从微裂隙的萌生、扩展、聚合规律出发,采用双曲线模拟翼裂纹扩展路径,考虑翼裂尖端II型应力强度因子对扩展路径的影响,建立了渗流-应力耦合作用下基于曲线扩展路径的劈裂演化模型。利用Fish语言,通过对FLAC3D的二次开发,实现了新模型的程序化。将新模型与Lajtai经验公式相比对,发现两者计算结果接近,验证了新模型的正确性。

考虑闭合效应下基于曲线扩展路径的劈裂模型研究

深部围岩常常产生较深的劈裂破坏区。针对这一现象,引入表征体积单元,考虑原生裂隙的闭合效应,采用双曲线模拟翼裂纹扩展路径,建立了基于曲线扩展路径的劈裂破坏模型。从微观角度出发,运用应力强度因子、最大周向拉应变理论推导了劈裂裂缝扩展演化方程,提出了劈裂破坏的预测新方法。采用FISH语言,将方程内嵌入FLAC软件中,使新方法程序化。新模型与Lajtai经验公式计算结果具有很好的一致性。与旧模型相比,新模型计算结果具有更高的精度,最大相对误差减小量为25.5%。