交叉裂纹各裂尖应力强度因子同时快速求解的Williams单元

为了研究交叉裂纹各裂尖应力强度因子之间的相互影响,建立了交叉裂纹各裂尖应力强度因子同时快速求解的Williams单元,以十字交叉裂纹为例,分别对正交十字裂纹或斜十字裂纹各裂尖应力强度因子相关参数进行研究,分析了薄板尺寸、裂纹夹角与奇异区尺寸等相关参数对十字交叉裂纹各裂尖应力强度因子的影响,其中KⅠ、KⅡ为裂尖Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子。算例分析表明,当板宽与裂纹长度满足W/a≥13时,能够忽略板的尺寸对正交十字裂纹裂尖应力强度因子的影响,可视为无限大板;对于斜十字裂纹情况,当水平裂纹长度不变时,随着斜裂纹长度参数d的增大,KⅠ,A、KⅡ,C和KⅠ,D逐渐递减,而KⅡ,A、KⅠ,B、KⅡ,B和KⅠ,C逐渐递增,对于KⅡ,D则出现先减后增的趋势;当斜裂纹长度参数d=0时,随着裂纹夹角γ的变化,KⅠ,A、KⅠ,B大小相等,符号相同,KII,A、KⅡ,B则大小相等,符号相反,且各裂尖应力强度因子对裂尖奇异区尺寸不敏感。证明了Williams单元能够同时快速求解交叉裂纹各裂尖应力强度因子,且具有较高的计算精度。

基于细胞自动机方法的多裂纹扩展贯通模拟

针对岩石力学领域压剪荷载作用下多裂纹扩展、交叉和贯通等复杂裂纹行为问题,提出了多裂纹交汇问题的数学力学精细描述方法,建立了多裂纹交叉的非连续精细表征模型。基于此,进一步构建了多裂纹交叉和交汇的摩擦接触精细连续到非连续数学力学描述模型,构建了接触摩擦迭代和元胞快速更新交替耦合的快速迭代方法,实现了压剪摩擦接触迭代与元胞更新交替快速迭代,大幅提高计算效率。基于上述理论,提出多裂纹相互作用断裂行为的快速自适应连续-非连续细胞自动机方法。通过算例验证了两种不同裂纹数量、位置关系和分布距离的岩石多裂纹模型在压剪荷载下的开裂与扩展的抑制和增强作用的相互影响特征,分析了多裂纹的汇合与贯通规律。数值算例表明,本方法在多裂纹扩展和贯通分析中是高效、精确的。

基于颗粒流的含交叉裂纹类岩石水力致裂细观机理研究

针对目前岩石在水力耦合作用下交叉裂纹扩展机理认识不足的问题,采用颗粒流软件(PFC2D)的平直节理接触模型和流域法,模拟计算含交叉裂纹的类岩石三轴压缩水力致裂过程,分析双向水平主应力差和主、次裂纹倾角对水力裂纹起裂、扩展及贯通的影响规律,并揭示其细观断裂机理。研究结果表明:数值模拟与试验结果吻合较好。当有或无水平主应力差时,水力裂纹沿着或偏离水平最大主应力方向扩展,与交叉裂纹贯通或不贯通,细观机理均为拉伸断裂。增加水平主应力差可明显降低临界水压力,易形成网状裂纹,有利于提高资源开采效率。

交叉型裂纹扩展的近场动力学分析

为了研究交叉型裂纹的扩展模式及主次裂纹长度比值对裂纹扩展模式的影响,基于近场动力学(peridynamics,PD)理论建立模型,在本构方程中引入长程力作用,采用体积修正提高计算精度。基于该数学模型编写Fortran程序对含交叉型裂纹二维板的裂纹扩展进行数值模拟。以T形交叉型裂纹为例,分析拉伸载荷作用下主次裂纹长度比值对裂纹扩展的影响,计算无量纲应力强度因子并与解析解进行对比。结果表明:近场动力学方法可以很好地对T形裂纹的结构裂纹扩展进行模拟;主次裂纹长度比值增大,裂纹扩展速率有减小的趋势,并且由次裂纹引发的裂纹扩展夹角有增大的趋势。

大口径火炮身管药室内膛裂纹电磁超声表面水平剪切波检测方法

大口径火炮身管药室内膛在射击过程中承受高温高压,易产生网状多裂纹,对安全性能造成隐患,但传统检测手段对内壁清洁度要求较高,且检测周期长。为此,提出基于电磁超声表面水平剪切波(SH波)的身管药室内膛裂纹检测方法,对缺陷进行检测。建立表面SH波电磁超声换能器的辐射声场有限元模型,分析永磁体长度和对数对辐射声场的影响,对电磁超声换能器设计参数进行优化。在研究表面SH波声场特征的基础上,建立表面SH波在含有交叉裂纹的身管药室中传播的有限元模型,分析表面SH波与不同夹角裂纹缺陷的作用规律,并通过实验予以验证。结果表明,当使用12对长度为20 mm的永磁体制成的电磁超声换能器时,能够对10 mm×1 mm×2 mm的交叉裂纹进行检测,分析裂纹夹角与回波幅值的影响规律,为身管药室内膛多裂纹检测提供了可靠依据。

基于扩展有限元的含缺陷混凝土微裂纹模型构建及其应用

本文提出了一种多尺度的数值模型来模拟混凝土材料内部的微裂纹扩展,描述微裂纹的萌生、扩展、聚合直至形成宏观裂纹最终材料破坏的全过程。该方法基于扩展有限元理论框架实现,使得骨料边缘和界面过渡区不必和单元边界重合,整个结构可划分为十分规则的网格。作为分析案例,对混凝土试件单轴受拉过程进行仿真模拟,结果表明,骨料体积含量减小时,强度呈现上升的趋势,有限元分析结果与试验结果吻合良好,验证了模型的合理性。该数值模型从断裂机理出发,完整地描述了混凝土内部微裂纹扩展的全过程,可为类似混凝土准脆性材料的多尺度数值分析和理论研究提供参考。

T应力对立方准晶中含十字交叉型裂纹的影响

论文研究了立方准晶中含十字交叉型裂纹尖端附近的T应力.采用了积分变换法,将相关边值问题转换为求解奇异积分方程,得到声子场和相位子场的T应力,且可以表示为裂纹张开位移和施加在无穷远处的载荷之和.裂纹张开位移在确定声子场和相位子场的T应力中起着主导作用.同时强调了T应力在立方准晶脆性断裂中的作用.此外,还研究了裂纹臂长度比b/a对十字交叉型裂纹T应力的影响.