黏聚裂纹阻抗的弯曲梁承载力

在混凝土类软化材料断裂研究中,裂纹端部损伤区被简化为具有黏聚应力分布的非线性裂纹,该黏聚力对裂纹扩展有阻抗作用。裂纹体的应力强度因子是断裂力学标志载荷作用与几何构型因素的量化表达指标;黏聚力形成的阻抗强度因子数值,与黏聚裂纹长度和材料极值拉伸应力存在数量关系。通过双K断裂判据,以带切口的三点弯曲梁为断裂力学模型,分析了裂纹黏聚阻力对断裂过程的影响规律,计算该弯曲梁结构断裂试样的最大承担载荷;其结果比较符合实验数据。

基于黏聚裂纹模型的混凝土断裂过程扩展有限元法模拟

为了解决混凝土材料的断裂问题,采用扩展有限元法结合黏聚裂纹模型对混凝土非线性断裂力学行为进行模拟。在黏聚裂纹模型中,裂纹附近应力场没有奇异性,因此,基于四结点四边形单元构造了一种新的黏聚裂纹模拟的扩展有限元位移模式,并采用符号函数对所有的开裂单元(包括裂纹贯穿单元和裂尖单元)进行加强。采用类似于"弧长法"的方案求解非线性控制方程。结果表明:该加强策略解决了裂尖单元裂纹两边应力不等的问题,其裂尖位置任意,且混合单元处理方便。通过数值模拟混凝土Ⅰ型和混合型断裂问题,将模拟结果与参考解及试验结果进行比较,误差均在5%以内,验证了该方法的可靠性。该方法采用统一的符号函数进行加强,编程更为方便。

考虑软化效应的黏聚裂纹张开位移分析

为研究岩石混凝土陶瓷类准脆性材料的张开型裂纹扩展过程,Hillerborg等人引入了应变软化概念,把断裂过程区抽象为具有黏聚力分布的裂纹.用多项式或幂级数表达黏聚裂纹张开位移分布,通过弹性理论与积分方程解答建立裂纹黏聚力与张开位移分布之间的关系,由变分计算确定了有关物理量.算例数值结果与实验测定值比较符合.

基于黏聚裂纹模型的煤岩体韧性断裂机制研究

传统线弹性断裂理论已不再适用于表征煤岩体韧性断裂特征,为了描述煤岩体Ⅰ/Ⅱ混合型裂纹扩展行为,通过Ⅰ型半圆盘三点弯曲(SCB)实验和贯穿剪切(PTS)实验,构建基于PPR势能函数的泥岩及煤Ⅰ/Ⅱ混合型黏聚裂纹模型。实验结果表明:煤SCB试件峰值载荷后非线性损伤过程中,裂纹尖端张开位移(CTOD)增加量是泥岩试件的3.48倍;同时,通过数字图像相关方法(DIC),测定煤岩试件中断裂过程区(FPZ)长度,其中煤试件的FPZ长度约为6.21mm,是泥岩试件的2.75倍,这直接导致煤试件的韧性断裂破坏特征表现得更为显著。煤岩贯穿剪切(PTS)实验中,煤PTS试件的最大切向位移为0.055 mm,远大于泥岩试件的最大切向位移,表明煤PTS试件Ⅱ型韧性断裂特征明显高于泥岩试件:此外,两类煤岩试件Ⅱ型断裂能高于其Ⅰ型断裂能,这说明发生Ⅱ型剪切断裂需要消耗更多的能量。最后,进行煤岩体Ⅰ/Ⅱ混合型单边缺口梁(SENB)三点弯曲实验及与其相对应的数值模拟研究,数值模拟过程分别基于所建立的PPR黏聚裂纹模型和线弹性断裂理论。通过以上对比可知,相较于线弹性,断裂理论,基于所建立的PPR黏聚裂纹模型的数值模拟结果更加符合实验结果,验证了所建立的PPRⅠ/Ⅱ混合型黏聚裂纹模型适合用于表征煤岩体Ⅰ/Ⅱ混合型韧性断裂行为。

无限大平板黏聚裂纹模型的数值解

本文采用数值方法分析了混凝土非线性断裂中断裂过程区的力学特性。以无限大板中心拉伸裂缝模型为例,在黏聚裂纹模型的基础上,假设裂纹尖端应力奇异性消失,将过程区黏聚力表达式转化为Fredholm II型积分方程,并通过数值积分方法求解。本文得到了断裂过程区上的位移分布,黏聚力分布,断裂过程区长度与外荷载之间的关系,并得出了最大荷载与初始裂纹长度的关系,并讨论了混凝土断裂的其它特性。

混凝土黏聚开裂模型若干进展

黏聚模型是用来描述混凝土断裂行为的基本模型,首先介绍了混凝土的黏聚开裂模型的基本概念,总结了确定黏聚区的本构方程的各种方法,即直接单轴拉伸测试、J积分方法、R曲线法、柔度法和逆推法.然后介绍了黏聚模型在Ⅰ型和复合型裂纹问题、疲劳断裂问题中的应用以及黏聚模型与混凝土尺寸效应的关系.最后对黏聚开裂模型与桥联模型、带状裂缝模型进行了比较和总结,指出了该模型存在的问题,并对其以后的发展方向提出了建议.

准脆性材料黏聚阻裂的计算与实验

工程常用材料铸铁混凝土等,在裂缝前端区域有微观及宏观缺陷的变化及能量耗散,表现为准脆性损伤断裂特点。若把该阻止裂缝扩展与张开的损伤发展区简化成虚拟裂纹,将存在裂纹黏聚分布力与变形或张开位移;讨论了与此相关的黏聚裂纹力学模型及方程解答说明。相应于黏聚张开位移有微细观测图与实验测试数据,给出黏聚裂纹模型的解析计算方法,并将理论计算与实验测试数据进行了对比。以双K断裂准则和黏聚模型为基础,给出对含裂纹结构的承载力的预估计算。理论计算比较符合实验结果。

冲击载荷下镁铝合金裂纹动态扩展过程的数值模拟

采用基于黏聚裂纹模型的扩展有限元方法,开展了镁铝合金结构冲击破坏过程的数值模拟研究。通过镁铝合金三点弯曲试样冲击实验,获得了不同子弹撞击速度下试样的冲击破坏模式。在此基础上,建立了实验结构的扩展有限元模型,并采用最大主应力准则,以及含损伤型的本构关系模拟材料的冲击断裂行为。对于裂纹尖端附近区域,采用黏聚裂纹模型模拟裂纹的断裂过程。对子弹速度分别为12.2、15.1、26.3m/s的3种工况下镁铝合金试样的动态破坏过程进行了数值模拟研究,获得了与实验相一致的断裂模式。计算结果表明,试样以Ⅰ型断裂模式为主,裂纹沿初始预制裂纹方向扩展。当裂纹扩展到一定程度后,在试样韧带区域被撞击端附近,由于应力波及边界效应导致该区域处于复杂应力状态,试样出现复合型断裂模式,裂纹偏离原扩展路径,与本文实验结果相吻合。

循环应力损伤对煤体I型动态断裂特性的影响

为探明循环应力损伤作用对煤体动态断裂特性的影响,对原始及循环应力损伤后的煤体I型单边缺口梁试件进行了静态与动态断裂试验研究。通过试验得到:煤体平均动态I型断裂韧度(KIC)为0.344 MPa·m^(1/2),平均I型断裂能(GC)为66.99 N/m,较静态煤断裂参数分别提高了1.38倍与1.26倍;经循环应力损伤后煤试件的平均静态KIC值为0.219 MPa·m^(1/2),平均静态GC为44.26 N/m,较原始煤试件分别降低了12.05%与16.74%;平均动态KIC为0.279 MPa·m^(1/2),平均动态GC为52.72 N/m,与原始煤试件冲击断裂试验结果相比,分别降低了20.90%与21.30%。试验结果表明,循环应力对煤体的动静态断裂力学参数均具有劣化影响,且煤试件动态断裂力学参数的劣化程度更高,证明煤体动态断裂行为对循环应力损伤作用更加敏感。同时,原始及循环应力损伤后煤试件动态断裂破坏的分形维数分别为1.32与1.21,即原始煤试件在冲击载荷作用下断裂破碎的更加复杂,冲击动力学显现的更加充分。此外,基于黏聚裂纹模型的煤体I型动态断裂数值计算结果与试验结果相符,表明黏聚裂纹模型能够对煤体动态断裂过程进行有效表征。研究成果可为具为相似特性的煤体提供参考。

基于比例边界有限元广义形函数方法模拟混凝土裂纹扩展问题

本文提出了考虑侧面荷载存在的比例边界有限元广义形函数。该广义形函数具有自然满足单元交界面连续性的优点,采用该方法研究了混凝土黏聚裂纹的扩展问题。在裂纹扩展步中采用线性渐进叠加假设,在断裂过程区,裂尖单元以及非裂尖单元中的黏聚力采用广义形函数以等效荷载的形式统一施加在单元节点上,比以往的插入界面单元或者特解方法来模拟断裂过程区的黏聚力更为简便。另外,本文采用多边形比例边界有限元网格重划分技术对混凝土裂纹扩展问题进行数值模拟,并通过两个典型算例进行了验证。对裂纹扩展路径、荷载-位移曲线以及黏聚力分布进行了分析比较,并对网格敏感性进行了研究,结果表明采用SBFEM广义形函数方法模拟混凝土黏聚裂纹扩展具有准确性和高效性。

非均质弹塑性煤体水压致裂裂纹形态研究

常规储层煤层气开采,主要使用水力压裂的方法对煤体进行增渗改造,准确模拟弹塑性煤体在水力压裂后的缝网形态,可为施工工艺的改进和储层开采价值的评估提供参考。有限离散元方法(FDEM)是一种模拟弹塑性材料内部裂纹扩展形态的有效方法,为获得模拟所用本构模型中基于B-K准则的混合断裂能,对煤进行了变预制裂缝倾角的半圆盘三点弯曲(SCB)试验;提出一种使用环氧树脂包裹煤样的立方体试件进行水力压裂研究的试验方法,还原原位状态下水力裂缝的扩展过程,验证数值模拟方法的准确性。考虑到天然状态下煤储层的非均质性,引入统计学中的Weibull概率分布,将密度函数中的形状参数m定义为非均质度系数,按照Weibull分布对数值模型中的黏聚型单元的强度和断裂能进行随机赋值,模拟不同非均质程度煤储层在水力压裂作业中的裂缝扩展形态,并充分考虑了裂隙流从Darcy流向Poiseuille流的逐渐转化。结果表明:①有限离散元法适用于模拟弹塑性煤体中水力裂缝的扩展,以二次名义应力准则为裂纹的起裂判据,以B-K混合断裂能准则为裂纹的延伸判据,可准确模拟复杂应力状态下水力裂缝的扩展形态。②单簇射孔情况下,非均质度系数m=2~5的煤层中,水力压裂模拟得到的注液压力-时程曲线呈现出明显的压力峰,符合实际工程中的注液压力曲线。③非均质度系数m=1.5~5.0的煤层中,水力裂缝的扩展会出现分叉和偏转现象,非均质度系数过低(m<1.5)的煤层只会形成单条的长直裂缝,过高(m>5)的煤层会形成对称的双翼曲线裂缝,其中m=2的煤层在水力压裂后形成的裂缝形态最为复杂。

基于孔压黏聚型裂纹水力压裂数值模拟的研究

针对岩体水力压裂的裂纹扩展问题,基于Cohesive单元建立了孔压黏聚型裂纹模型,采用二次应力失效断裂准则及临界能量释放率裂纹扩展准则,判断裂纹起裂扩展规律,建立一种新的岩体水力压裂数值分析方法,并对在不同压裂液黏度和岩体弹性模量条件下的裂纹扩展形态进行模拟,分析压裂液黏度对裂纹面压力梯度及裂纹形态的影响以及不同弹性模量岩体中裂纹的扩展形态。

裂隙水流与混凝土开裂相互作用的耦合模型

利用扩展有限元法对裂隙水压作用下混凝土结构的开裂过程进行了模拟,裂纹中的流体运动在立方定理的基础上求解,混凝土开裂力学行为采用了黏聚裂纹模型来描述,采用松散型的耦合方式考虑裂隙水流和开裂结构间的相互作用。推导了在基于虚节点法的扩展有限元法框架下的耦合模型控制方程,通过双层迭代结构进行总体方程求解,对混凝土试件在裂纹水压作用下的开裂过程进行了数值模拟。不同加载速率条件下的计算结果反映的裂纹水压变化规律均与试验相近,结果也说明了扩展有限元法是处理连续-非连续问题的一种有效方法。

混凝土断裂过程区拉伸软化的本构关系

针对混凝土在裂纹端部的断裂过程区应力和变形具有软化特性这一情况,将该过程区抽象为具有黏聚应力分布的裂纹,通过确定黏聚裂纹张开位移和黏聚应力分布的计算式,将其应用于混凝土材料,得到该材料的黏聚裂纹张开位移的分布及张开位移与应力的本构关系。理论计算值与试验结果吻合良好。

基于XFEM的钢筋混凝土梁开裂数值模拟

将扩展有限元法应用于钢筋混凝土简支梁开裂过程的数值模拟,采用三维实体单元与三维杆单元分别模拟混凝土与钢筋,在开裂区域预设与实验值相同间距的初始裂缝,并利用非线性弹簧单元来考虑钢筋与混凝土间的黏结滑移作用,得到了加载过程中裂缝的扩展情况、黏结滑移对裂缝扩展的影响、裂缝宽度与外荷载的关系以及纯弯段内裂缝处混凝土和钢筋中应力的分布.分析结果表明:计算得到的裂缝宽度与实验值吻合较好,黏结滑移会使得同样荷载水平下的裂缝更宽,钢筋和混凝土的应力分布与实际情况相符,扩展有限元不用重划网格、不用预设裂纹扩展路径,能有效地进行钢筋混凝土梁的开裂数值模拟.

混凝土劈裂抗拉强度与轴心抗拉强度关系研究

国内外学者对混凝土劈拉与轴拉强度的强度关系的研究结论并不一致,为更好地研究两者强度关系,基于黏聚裂纹模型理论,进行了的圆柱体试件尺寸为150 mm×300 mm,垫条宽度变化范围为5～20 mm共8个级别的劈拉试验和尺寸为100 mm×100 mm×550 mm的棱柱体轴拉试验。建立了劈拉强度和直拉强度关系比fts/ft与圆柱体试件直径和特征长度比D/Lch的回归方程,并给出了公式中参数的取值,对大体积混凝土结构的设计及检测有一定的参考价值。

准脆性材料断裂模拟方法研究

针对岩石、混凝土类准脆性材料的断裂过程模拟,发展了基于黏聚裂纹模型的虚节点扩展有限元法,并给出了该法的数值原理和控制方程。通过三点弯曲梁拉伸断裂、单边缺口试件Ⅰ-Ⅱ复合型断裂和Nooru-Mohammed试验多裂纹断裂等典型算例,并与已有解或试验结果对比,表明该法适合于模拟准脆性材料由张开型裂纹支配的断裂过程。相对于节点分离有限元法,该法无需预设开裂路径;相对于塑性损伤有限元法,该法能够可靠模拟多裂纹曲线扩展;相对于标准扩展有限元法,该法无需引入裂尖单元,避免了应力强度因子的计算;相对于高阶富集扩展有限元法,该法具有良好的适用性,便于得到收敛的计算结果。此外,基于单元的位移场描述使其更易于嵌入常用有限元软件,从而利用后者良好的非线性计算功能求解复杂问题。

混凝土软化本构关系与失稳断裂参数的计算

准脆性材料混凝土的断裂参数尺寸效应不仅与外观尺寸有关,也与材料细观结构相关.完全张开裂纹前方的韧带阻裂区域内的介质相互作用,以虚拟裂纹上的黏聚应力表示.该虚拟裂纹张开位移与黏聚应力之间的关系,也可称为材料的非弹性软化本构关系.断裂过程失稳应力强度因子KⅠ的估计,直接关系着断裂力学在该类材料中的应用.首先讨论断裂过程区各种软化本构关系模型计算方法,以及与相关实验数据的对比.然后,提出一种利用材料极限应力、黏聚裂纹段长度以及应力强度因子的关系,估计失稳强度因子的计算方法.对该估算方法与实验测试结果对照,大致与实验测试数据吻合.

EPS混凝土静态劈裂性能研究

试验研究了不同粒径、不同含量聚苯乙烯泡沫混凝土(EPS混凝土)的劈裂性能。线弹性模型的计算结果表明:EPS混凝土劈裂强度表现出一定程度的粒子尺寸效应,粒子尺寸效应随相对密度的降低而减小。通过劈裂试样破坏形态可以看出,由于EPS混凝土在EPS颗粒与水泥浆体界面之间以及断裂过程区存在大量的微裂纹,试样在劈裂破坏中会出现一定数量的次生裂纹,EPS混凝土表现出明显黏性特性。建立EPS混凝土抗拉强度黏聚裂纹模型,计算结果表明:按黏聚裂纹模型计算的EPS混凝土的劈裂强度也表现出明显的粒子尺寸效应,且其计算结果略高于按弹性理论计算的结果,并且两者之间的差异随相对密度的增加而逐渐减小。