考虑裂尖塑性区影响的水力压裂缝高计算模型

为了对水力压裂裂缝高度进行准确预测,针对高应力多分层的复杂地层,基于断裂力学理论分析裂缝扩展过程中裂缝尖端应力集中产生的塑性区分布对缝高扩展的影响,建立水力压裂缝高计算模型并进行求解,通过与其他2种缝高模型(MFEH、FracPro)计算结果进行对比以验证该模型的准确性。模型实例计算的敏感性分析表明:水力压裂的缝高会呈现阶梯生长的扩展形态,且裂缝缝高越大,阶梯生长的现象越明显;地应力对裂缝缝高的生长起主要的控制作用,地层岩石断裂韧性只在一定程度上对缝高生长有抑制作用;压裂液密度的增大有利于裂缝下尖端的扩展。

MY准则解析复合型裂尖塑性区

首次以MY(平均屈服)准则对I-II复合型裂纹在小范围屈服下的裂尖塑性区进行了分析,分别获得了平面应力和平面应变状态下塑性区尺寸的解析解。这两解表明,塑性区尺寸是材料屈服强度、应力强度因子、极角θ的函数。与Tresca准则、TSS屈服准则获得的解以及Mises解比较表明:Tresca准则预测塑性区上限,TSS屈服准则预测塑性区下限,MY准则预测的塑性区居于Tresca与TSS塑性区之间,逼近Mises解。另外,文中讨论了平面应力和平面应变状态下裂纹尖端的开裂问题,结果表明:当裂纹角β=π4时,平面应力状态下裂纹沿0-θ=0.2952π方向开裂;平面应变状态下裂纹沿0-θ=0.3188π方向开裂。

混凝土结构I型裂纹裂尖塑性区研究

应用双剪统一强度理论,研究了I型裂纹的塑性变形问题。给出了包含反映材料拉压性能差异的参数拉压比及反映中间主应力效应的参数b的I型裂纹裂尖塑性区形状和大小的统一解。已有的Tresca准则、Mises准则和Mohr-Coulomb准则解均是本文的特例或线性逼近。针对混凝土结构,画出了不同参数b情况下的裂尖塑性区半径变化图。得出了材料拉压比对I型裂纹裂尖塑性区影响很大。b对I型裂纹裂尖塑性区影响随拉压比的不同而不同,拉压比较大时,b对塑性区影响大,拉压比较小时,b对塑性区影响小的结论。该统一解可以适应于各种不同材料,能充分发挥材料潜力,具有普遍性和广泛的适应性,有一定的工程应用价值。结论对于研究各种材料的断裂问题有参考作用。

基于裂尖塑性区的复合材料复合型裂纹断裂准则

基于Tsai-Hill强度理论,在平面应力条件下,推导了复合材料Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹塑性区尺寸表达式,分析了裂纹扩展方向与裂纹尖端塑性区的关系,推广并证明了R准则在复合材料裂纹扩展方向预测中的适用性。数值算例分析了不同纤维方向和裂纹倾斜角对复合材料复合型裂纹开裂角的影响。结果表明,R准则是一个通用的断裂准则,适用于预测各向同性材料和复合材料各种裂纹的扩展方向;纤维方向和裂纹倾斜角对断裂角的影响较明显,可能是导致复合材料复杂断裂机理的原因之一。

富水区深埋巷道围岩微裂纹裂尖塑性区研究

利用断裂力学原理,考虑到水压力对微裂纹尖端应力场的实际影响,对巷道围岩单节理微裂纹的Ⅰ、Ⅱ型及其复合型裂纹应力强度因子进行了探讨.然后,采用双剪统一强度理论,研究了富水区巷道围岩微裂纹扩展角及裂纹尖端塑性区范围,并给出了包含反映岩石拉压性能差异的参数α、反映中间主应力效应的参数b及水压力的巷道围岩微裂纹裂尖塑性区统一解.

非各向同性材料小范围屈服下裂尖塑性区研究

基于各向异性弹性力学的Stroh理论和Tsai-Hill非各向同性强度理论,预测非各向同性材料单一型和混合型裂纹裂尖塑性区的形状与大小,研究横向剪切强度以及材料主方向与裂纹坐标方向夹角θ等参数对裂尖塑性区的影响。研究发现,当材料反平面剪切强度相对面内强度较小时,反平面剪切应力对裂尖塑性区形状、尺寸的影响显著;反之则较小。偏角θ也会明显影响裂尖塑性区的尺寸和形状。

各向异性常数对裂尖塑性区及断裂性能的影响

应用Ｈｉｌｌ屈服准则研究了正交异性含裂纹无限大板的裂尖塑性区，讨论了各向异性常数对塑性区及断裂性能的影响．并指出了各向异性常数在正交异性板设计中的应用．

塑性修正及相互作用对岩石裂尖塑性区影响的研究

岩石内多裂纹由于相互作用的影响,其裂纹尖端塑性区分布与单裂纹有着很大不同.针对多裂纹相互作用,以对称分布的三共线裂纹为例,采用等效夹杂理论提出了裂尖应力强度因子的塑性修正方法.在此基础上,基于Drucker-Prager(D-P)强度准则推导相互作用下各裂纹尖端的塑性区边界方程,并分析了裂纹长度比值、裂纹倾角及裂纹间距对裂纹尖端塑性区分布的影响.结果表明:对裂尖应力强度因子进行塑性修正后,各裂纹尖端塑性区尺寸均增大;裂纹相互作用使得各裂纹尖端塑性区尺寸增大;随着中心裂纹与外裂纹长度比值的增加,外裂纹内外尖端塑性区尺寸受裂纹相互作用的影响逐渐加强,而中心裂纹尖端塑性区尺寸受裂纹相互作用的影响逐渐减弱;裂尖塑性区尺寸受裂纹相互作用的影响与裂纹倾角无关;同一裂纹间距下,中心裂纹尖端塑性区尺寸受相互作用的影响最强,外裂纹外尖端最弱,且随着裂纹间距的增加,裂纹相互作用的影响越来越小.

改进的Irwin模型及裂尖塑性区对断裂行为的影响

本文研究了小范围屈服条件下I型裂纹尖端塑性区对断裂行为的影响.Irwin模型假设塑性区外奇异应力场分布是弹性解的平移,并将塑性区的一部分加上原有裂纹视为等效裂纹.这样得到的等效应力强度因子总是大于相应的线弹性解的应力强度因子,这与塑性区的增韧作用相悖.为了考察塑性区对裂纹尖端附近应力分布的影响,本文提出在塑性影响区内,裂纹延长线上奇异应力分布与线弹性奇异应力场静力等效的原则.在此基础上建立了改进的Irwin模型,并导出了衡量塑性区屏蔽效应的显式表达式,定量地解释了塑性区的屏蔽效应,本文结果与基于相变增韧理论的方法得到的结果在趋势上一致.

裂尖塑性区的分析与测算

《石油机械》第18卷第10期,1990,第16～20页,图8,表1 用“密栅云纹干涉二次曝光法”测试技术,测出在周向一维应力状态下有轴向穿透裂纹的圆柱形试件的周向变形位移云纹图。用曲线拟合求位移倒数,得出各点的应变值。以米捷思屈服准则和ε_t>ε_s为屈服条件,编程电算、得出裂尖塑性区的实测值和边界图。将实测值与用D—B和欧文计算式算出的理论计算值列表比较,可以认为该测试方法是测算裂尖塑性区边界尺寸的一个较好方法。

复合型裂纹小范围屈服下裂尖塑性区统一解

采用俞茂宏统一强度理论,推导Ⅰ、Ⅱ复合型裂纹在小范围屈服条件下裂尖塑性区尺寸的统一解析解。给出材料参数在不同拉压比a、泊松比v和中间主应力影响参数b下的一族裂尖塑性区形状与大小的轨迹。讨论以上参数对裂尖塑性区变化的影响,其中拉压比a对塑性区影响较大, a≠1导致塑性区在裂纹上下表面处不连续, b=0和b=1分别对应裂尖塑性区的上限、下限边界。同Tresca准则、Mises准则的解进行比较分析,已有解均是它的特例或线性逼近,该理论解具有理论的统一性和对不同材料的普适性。

不同应力状态下裂尖塑性区对4340钢疲劳短裂纹扩展的影响

本文根据4340高强钢疲劳短裂纹扩展试验,并利用Von Mises屈服准则得到穿透裂纹表面和内层裂纹的裂尖塑性区形状,对不同应力状态下裂尖塑性区对短裂纹扩展机制和短裂纹效应的影响进行了分析,认为裂尖塑性区在短裂纹的扩展过程中起决定作用,穿透裂纹表面与内层裂尖塑性区因应力状态不同而导致不同的短裂纹扩展行为。

压应力对裂尖塑性区影响的量化研究

为了量化压应力对裂尖反向塑性区尺寸的影响,填补压应力作用下裂尖塑性区尺寸估算的空白,基于理想弹塑性材料采用有限元数值计算方法,研究了含有中心穿透裂纹有限平板在拉压循环载荷作用下裂尖塑性区尺寸的变化规律,并分析了裂纹长度、应力比、时间历程等因素的影响;建立了压应力引起的裂尖最大反向塑性区尺寸的估算模型,提出了一种适用于R<0拉压循环载荷作用的基于裂纹最大张口位移确定最大反向塑性区尺寸的简便方法.

硬化材料裂尖塑性区尺寸简便计算方法研究

为了快速方便地估算裂纹尖端的塑性区尺寸,以承受双向均匀拉伸的含有中心穿透裂纹的有限平板模型为研究对象,提出了一种基于裂纹最大张口位移确定硬化材料裂尖塑性区尺寸的简便方法.该方法以理想弹塑性材料提出的裂纹最大张口位移与裂尖塑性区尺寸间的函数关系为基础,考虑了材料硬化特性的影响,提出了仅与应变硬化指数相关的修正系数表达式,建立了不同外加载荷作用下基于裂纹最大张口位移确定硬化材料裂尖塑性区尺寸的简便方法,并分析了不同裂纹长度和不同屈服极限条件下方法的适用性.研究结果表明:该方法能够消除裂纹长度、屈服极限和外加载荷等参数的影响,适用于任意材料的有限平板模型.

复合材料裂纹尖端塑性区的一种解法

基于Tsai-Hill强度理论,在平面应力条件下,推导正交各向异性复合材料Ⅰ型、Ⅱ型以及Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹塑性区方程,得到的结果适用于求解各向同性材料和拉压强度相等的各向异性复合材料的裂尖塑性区;数值算例给出不同材料坐标系与总坐标系夹角θ下的一组复合材料裂尖塑性区结果,讨论参数θ对裂尖塑性区大小和形状的影响,并与各向同性材料的结果进行比较。数值结果表明,参数θ对复合材料裂尖塑性区的影响很明显,各向同性材料具有更大的塑性区。

A537钢在盐水中疲劳裂纹尖端塑性区尺寸减小与声发射

研究了Ａ５３７低强度结构钢在空气和３．５％ＮａＣ１中性水溶液中疲劳裂纹扩展及其相应的声发射规律．结果表明腐蚀疲劳裂纹扩展过程中声发射活动性下降．由于裂纹尖端塑性区内的位错运动是疲劳与腐蚀疲劳裂纹扩展的主要声发射源，所以认为声发射活动性下降是氢使裂尖塑性尺寸减小所致．用激光激斑干涉法测量裂纹尖端应变分布，证明氢的存在使裂尖塑性区尺寸减小．氢的存在同时提高裂尖局部材料的流变应力．

扩展裂纹尖端的塑性热耗散与温度场

材料的不可逆变形功以热的形式耗散 ,形成温度场 ,本文考虑I型裂纹尖端过程区塑性变形功的热耗散 ,视裂尖塑性过程区为内热源 ,通过合理地构造一个热源密度函数 ,结合裂尖塑性区的近似模型 。

桥梁结构钢裂纹塑性区的研究及应用

为了研究裂纹塑性对裂纹扩展的影响,利用工程简化算法、应力函数法、扩展有限元法对桥梁钢裂尖塑性区的尺寸和形状分别进行了计算;由于平面应力和平面应变情况下尾迹场循环塑性的特性不同,利用不连续扩展有限元对两种情况下尾迹场的循环塑性和塑性累积进行了模拟分析,探讨了裂尖塑性区、循环塑性区的形成和尾迹场产生压应力的机理.研究结果表明:裂尖塑性区尺寸与应力水平(名义应力与屈服极限的比值)的平方成正比,当应力水平大于0.4时,裂尖塑性区尺寸需要考虑应力水平的影响;裂尖塑性区的形状以蝶形向前伸展,使裂纹尾迹场免受裂尖高应力场的拉伸作用,有利于裂纹闭合;裂尖塑性区存在材料的逆向流动,在循环塑性区裂纹表面的塑性累积产生压应力效应有利于裂纹提前闭合,这种塑性诱发的裂纹提前闭合对研究变幅加载、过载引起的裂纹扩展滞后有重要意义.

基于最小塑性区半径准则的岩石裂纹起裂规律

岩石的变形破坏过程实质是内部裂纹不断产生、演化和扩展的过程,研究岩石中多裂纹的起裂规律对岩体工程的稳定性具有重要的理论意义和工程价值。裂纹尖端塑性区的存在是材料抵抗断裂的重要因素,裂纹尖端塑性区对裂纹的起裂扩展影响很大。为了考虑裂纹尖端塑性区对岩石裂纹起裂规律的影响,基于摩尔-库伦强度准则推导了二维应力状态下岩石裂纹尖端塑性区尺寸的计算公式,并考虑塑性区内材料的硬化对其进行了修正,然后基于最小塑性区半径准则得到了岩石中裂纹的起裂角及起裂荷载。最后,基于理论计算,分析了裂纹长度比、裂纹倾角和裂纹间距对裂纹起裂规律的影响。结果表明:平面应力状态下受压裂纹的起裂角为定值70.43°,平面应变状态下受压裂纹的起裂角随硬化系数和泊松比的增大而增大;受压裂纹的起裂荷载与裂纹长度比呈反比,与裂纹间距呈正比,且随裂纹倾角增加先减小后增大,其极值点与裂纹面的摩擦效应有关;中心裂纹对裂纹长度比和裂纹间距最敏感,外裂纹内尖端次之,外裂纹外尖端对裂纹长度比和裂纹间距最不敏感;受压裂纹的起裂荷载与裂纹面的摩擦因数和闭合度有关,相同条件下,张开型受压裂纹起裂荷载小于完全闭合型受压裂纹的起裂荷载,且平面应力状态下的起裂荷载大于平面应变状态下的起裂荷载。

拉压循环载荷下正交异性钢桥面板肋-面板焊缝裂纹扩展分析

采用四步法计算了考虑循环载荷中压应力影响的正交异性钢桥面板的肋-面板焊缝表面裂纹扩展。第一步是基于正交异性钢桥面板的疲劳分析模型,计算肋-面板焊缝处的应力,第二步是通过肋-面板焊缝的三维局部模型,用Schwartz-Neumann交替法计算焊缝表面裂纹的应力强度因子分布,第三步是用二维断裂力学模型和增量塑性损伤模型,计算循环载荷中的压应力对裂纹扩展的影响,第四步是用第二步中的三维裂纹分析结果和第三步中的二维断裂力学模型得到的裂纹扩展公式,计算钢桥面板的肋-面板焊缝表面裂纹扩展。计算结果表明,对应于正交异性钢桥面板肋-面板焊缝处的循环应力,本文所用模型的裂纹尖端反向塑性区导致裂纹扩展率增加50%以上。研究结果为正交异性钢桥面板肋-面板焊缝裂纹的疲劳寿命分析提供了研究基础。