岩性对I型裂纹定向扩展规律影响的试验研究

为揭示岩性对岩石I型裂纹定向扩展的影响规律,采用一种简易裂纹定向扩展装置开展白砂岩、灰砂岩和大理岩3类典型岩石加载试验,研究不同类型岩石I型裂纹定向扩展过程中变形场及声发射演化特征,探讨岩性影响下I型裂纹扩展机制。研究结果表明:白砂岩峰后荷载曲线呈平缓降低趋势,而大理岩和灰砂岩峰后曲线则呈陡降趋势,且其断面平整度高于白砂岩的,脆性断裂特征更为显著;根据水平位移场演化规律,可将岩石I型裂纹扩展过程划分为弹性变形、微裂纹集结成核和裂纹起裂扩展3个阶段,而白砂岩进入微裂纹集结成核阶段则远早于大理岩和灰砂岩;岩石I型裂纹扩展全过程中声发射演化可划分为平静期、活跃期、突增期和回落期4个阶段,其中白砂岩的平静期、活跃期及突增期持续时间短、回落期持续时间长,而大理岩和灰砂岩则与之相反;岩石I型裂纹扩展的本质是断裂过程区孕育过程,由于白砂岩断裂过程区长度大于大理岩和灰砂岩的,造成其裂纹定向扩展速度及稳定程度均低于其他两类岩石。

非均匀因素对I型裂纹扩展、相互作用影响的数值分析

在拉张外载作用下,应用RFPA2D程序对端部开切口、内部预制裂纹试样和坚硬颗粒试样进行数值模拟分析,并对不同均质度下岩样的贯通机制和载荷-位移曲线进行分析。结果表明,非均质性存在产生试样的应力分布局部集中和变形局部化,是引起裂纹复杂相互作用和扩展贯通的根源。

I型裂纹尖端约束应力区模型及其解析解

考虑了I型裂纹尖端损伤区域内三种不同的约束应力分布形式,即右三角分布形式(情况A)、均匀分布形式(情况B)、左三角分布形式(情况C),并采用复变函数方法求得了应力强度因子与裂纹张开位移的解析解;在此基础上,通过数值计算得到了应力强度因子和裂纹张开位移随约束应力区长度、约束应力大小以及分布形式的变化规律。研究结果表明:随裂尖材料损伤程度的增加,裂尖损伤区内约束应力减小,应力强度因子和裂纹张开位移增大;约束应力的分布形式对应力强度因子和裂纹张开位移有显著影响;相对于其他区域,约束应力对裂纹尖端区域裂纹张开位移的影响较大。然而,对于裂尖损伤区域的形成与作用荷载、材料性质、构件几何尺寸之间的关系,还需要进行更为深入的研究。

各向异性板I型裂纹尖端的J-积分

采用复变函数方法,通过将裂纹尖端的应力和位移代入J-积分的一般公式,推出了各向异性纤维复合材料单层板I型裂纹尖端J-积分的复形式-复变函数积分的实部,证明了该J-积分的路径无关性,得到了它的具体计算公式.

浅谈含I型裂纹对焊接接头形状因子的影响

为提高含缺陷对接接头的承载能力和准确的评定其安全性，对焊缝含I型中心裂纹和I型单边裂纹的对接接头，采用数值模拟方法，基于断裂力学原理，研究了焊缝余高高度和盖面焊道宽度对焊缝含I型中心裂纹和I型单边裂纹对接接头形状因子的影响。结果表明，焊缝余高高度对焊缝含I型中心裂纹和I型单边裂纹对接接头形状因子影响最为显著，盖面焊道宽度的影响次之。焊缝合I型中心裂纹和I型单边裂纹对接接头设计时，采用传统的不考虑余高形状影响时的形状因子表达式计算是不合理的。选择合适的焊缝余高高度和盖面焊道宽度可以提高焊缝含I型中心裂纹和I型单边裂纹对接接头的承栽能力。

承受双向等拉应力的平面应变I型裂纹线弹性断裂的I_(1)准则与K准则一致性分析

采用线弹性有限元方法计算了承受双向等拉应力的平面应变I型裂纹的应力场,分析了裂纹尖端各应力分量间的关系,拟合了各非零应力分量关于裂纹半长度a和裂纹尖端最小网格尺寸l1的函数,分析了应力第一不变量I_(1)与应力场强度因子KI的相关性。结果表明,裂纹尖端各非零应力分量间存在稳定的比例关系;各非零应力分量值和加载应力的比值与裂纹半长度a的1/2次幂呈正比例关系、与裂纹尖端最小网格尺寸l1的1/2次幂呈反比例关系;相同最小网格尺寸条件下,裂纹尖端的应力第一不变量与应力场强度因子的比值l1/KI为与加载应力和裂纹长度无关的常数,证明了承受双向等拉应力的平面应变I型裂纹线弹性断裂的I_(1)准则与K准则具有一致性。

爆炸载荷下I型裂纹动态断裂韧度测试方法初探

爆破是岩土工程中广泛采用的掘进方法,岩石在爆炸载荷下的断裂特性是岩石动力学的核心问题之一。利用雷管和带裂纹的水泥砂浆试样进行爆破试验研究,采用试验–数值方法确定试样的动态断裂韧度。通过试验得到的应变信号来确定试样承受的荷载及裂纹起裂的时间,将得到的时程曲线输入有限元程序ANSYS,利用1/4节点单元计算裂尖的近场位移,进而使用位移外推法求得试样I型动态断裂应力强度因子的时程曲线。裂纹起裂时刻对应的应力强度因子值即为材料的动态断裂韧度,从而给出了在爆炸载荷下I型裂纹的动态断裂韧度测试新方法。

裂纹表面线性分布力作用下I型应力强度因子的解析解

对于I型裂纹,考虑到裂纹表面受线性分布约束应力作用,利用复变函数方法,从两个基本的解析函数出发,推导出应力强度因子(SIF)和裂纹张开位移(COD)的解析解.数值计算了3种形式的应力分布,即右梯形分布(情况I)、均匀分布(情况II)和左梯形分布(情况III).通过对3种形式的应力强度因子和裂纹张开位移进行对比,发现裂纹表面约束应力的分布形式和位置对应力强度因子和裂纹张开位移有很大影响;随着约束应力区远离裂纹中心,应力强度因子减小,而裂纹中心张开位移随之增大.

Ⅰ型裂纹问题的相似形状单元聚缩解法

提出了Ⅰ型裂纹应力强度因子的相似单元聚缩解法．该方法首先在裂纹尖端附近自动划分相似单元，多层相似单元形成一个子结构；然后将子结构内的大量结点自由度聚缩掉，在聚缩过程中充分利用相似形状单元具有相同刚度矩阵的特点，最后通过结点位移计算一组广义坐标，利用广义坐标和应力强度因子间的关系获得应力强度因子．作为算例。

Ⅰ型裂纹的连续位错模型

用连续位错分布模拟裂纹和裂尖塑性区，建立了中心对称有限长Ⅰ型裂纹的无位错区（ＤＦＺ）模型．对一个主裂纹和四个对称滑移带情形推导出基本方程．计算表明，随着外加应力的增大，位错密度增大，位错活动明显加剧，在滑移带，位错密度在紧接ＤＦＺ的塑性区中某点达最大。

正交各向异性功能梯度材料板Ⅰ型裂纹应力、应变分析

文章对含I型裂纹的正交各向异性功能梯度材料板沿其板厚的弹性常数表达式呈指数函数变化时的应力-应变场进行分析。从而完整地推导出功能梯度正交各向异性材料板的裂纹尖端应力场、应变场的理论计算公式。

双轴拉伸条件下张开型裂纹的数值模拟

采用FLAC3D数值模拟软件,对线弹性各向同性模型中的bulk和shear取5个不同的参数值,进行单轴拉伸条件下I型裂纹的数值模拟计算,通过应力云图、等值线图以及等值线值进行综合比较,确定线弹性模型的2个参数的数值为5e4.在确定模型参数的基础上,对I型裂纹进行双轴拉伸条件下的数值模拟计算.通过对比2种情况下I形裂纹附近的应力情况发现:在双轴拉伸条件下I型裂纹附近出现的应力比单轴拉伸条件下减小了很多.同时,双轴拉伸条件下,等值线的变化趋势在I型裂纹附近也相对平缓.在一定程度上,双轴拉伸缓解了I型裂纹附近在单轴拉伸条件下出现的应力集中现象.

材料损伤的约束应力区裂纹模型与求解

以约束应力描述材料的损伤程度,约束应力的大小和分布取决于材料的损伤状态,建立了描述材料破坏过程的约束应力区裂纹模型。考虑约束应力为线性分布,在远场均匀拉应力作用下,采用Muskhelishivili方法对I型约束应力区裂纹模型进行求解,得到了应力强度因子与裂纹张开位移的解析解。并通过数值计算研究了各因素对应力强度因子与裂纹张开位移的影响。

Ⅰ型裂纹尖端无位错区近场的微观断裂模型

经微观实验及在位错理论的基础上建立了Ⅰ型裂纹尖端无位错区（ＤＦＺ）近场的微观断裂模型，对其进行了数值计算．

裂尖具线性分布约束应力的运动裂纹模型及其解析解

以恒定速度运动的Griffith裂纹解析解为著名的Yoffe解。静止裂纹的条状屈服模型即Dugdale模型,将其推广到运动裂纹模型时发现,当裂纹运动速度跨越Rayliegh波速时,裂纹张开位移COD趋于(∞,且表现为间断。通过在裂尖引入一个约束应力区及两个速度效应函数,假设约束应力为线性分布,采用复变函数方法,求得动态应力强度因子SIF与裂纹张开位移COD的解析解。新的结果,在Rayleigh波速下裂纹张开位移连续且为有限值。给出裂纹张开位移的一些数值结果,获得了一些有意义的结论。

Ⅰ型平面应变定常扩展裂纹线场分析

本文合理地假设了近裂纹线塑性区外的弹性场的形式,从弹塑性理论的基本方程出发,通过在裂纹线附近弹塑性边界上应力和变形的匹配,得出了理想弹塑性不可压缩材料平面应变Ⅰ型定常扩展裂纹,近裂纹线的应力与变形场,以及弹塑性边界的单位法向量和长度,并基于裂纹前方一确定距离处的应变准则,给出了定常扩展判据.

焊缝含Ⅰ型单边裂纹低匹配平余高对接接头形状参数对形状因子的影响

基于有限单元法针对焊缝含Ⅰ型单边裂纹的低匹配平余高对接接头形状设计,以最大限度提高接头的承载能力以及更准确地对其进行安全评定为目标,从断裂力学角度出发,考察了焊缝含Ⅰ型单边裂纹的低匹配平余高对接接头各形状参数,即焊缝余高高度、余高宽度和焊趾圆弧过渡半径,对其形状因子的影响.结果表明,焊缝余高高度对焊缝含Ⅰ型单边裂纹的低匹配平余高对接接头形状因子影响最为显著,余高宽度和焊趾圆弧过渡半径的影响较小.采用传统的不考虑余高高度时的形状因子指导焊缝含Ⅰ型单边裂纹低匹配平余高对接接头的形状设计是不合理的.选择合适的形状参数可以提高焊缝含Ⅰ型单边裂纹低匹配平余高对接接头的承载能力.

求解Ⅰ型裂纹构元J积分的半解析方法

表征裂纹尖端应力应变场程度的J积分是一个定义明确、理论严密的弹塑性断裂力学基础参量.目前J积分的计算主要是依靠塑性因子法和有限元法,但对各类裂纹构元获得J积分以及载荷-位移关系的解析公式以实现材料断裂韧性理论预测和材料测试是断裂力学的重要和困难的任务.以J积分为参量的材料断裂测试中应用最广的是Ⅰ型裂纹试样的断裂韧性测试.本文在平面应变条件下,针对断裂韧性测试中使用的6种Ⅰ型裂纹构元,基于能量等效假设,提出了J积分-载荷和载荷-位移的工程半解析统一表征方法,进而结合有限元分析的少量计算获得J积分-载荷和载荷-位移关系的半解析公式待定参数.分析表明,6种Ⅰ型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移统一公式的预测结果与有限元结果吻合良好.新提出的J积分-载荷工程半解析公式包含了材料的弹性模量、应力强度系数和应变硬化指数,能够广泛适应不同的材料,且运用该公式能够方便获取任意载荷点对应的J积分值.应用新方法可便于获得各类Ⅰ型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移工程半解析公式.

I型运动裂纹面受双重及冲击载荷作用下的位错分布函数

通过复变函数论的方法,对I型运动裂纹面受双重载荷、瞬时冲击载荷作用下的位错分布函数问题分别进行研究．采用自相似函数的方法可以获得运动裂纹的应力、位移、应力强度因子及位错分布函数的解析解,应用该法可以迅速地将所论问题转化为Riemann-Hilbert问题,并可以相当简单地得到问题的闭合解．

基于平均应变能密度准则的裂纹断裂扩展特性分析

考虑裂纹尖端应力场常数项T应力对裂纹断裂特性的影响,对平均应变能密度准则进行修正,建立混合型裂纹扩展条件计算式。在此基础上,系统分析常数项T应力对Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹断裂判据的影响。结果表明,常数项T应力降低了材料裂纹起裂阻力,且参数|Bα|越大裂纹断裂极限值越低,|Bα|相同时,正T应力要比负T应力更容易发生断裂。基于修正平均应变能密度准则,预测双轴疲劳载荷作用下平板表面Ⅰ型裂纹扩展寿命。结果表明,考虑常数项T应力影响后的疲劳裂纹扩展寿命约为传统疲劳裂纹扩展寿命的49%。