基于ABAQUS平台考虑T应力的Ⅰ型裂纹扩展模拟开发

工程结构在制造工艺过程中或使用期间会产生裂纹,对结构断裂路径的预测和研究是防治工程安全问题发生的重要手段。在考虑裂纹尖端应力场常数项T应力的基础上对传统的最大周向应力准则(Maximum tangential stress criterion,MTS)和最小应变能密度因子准则(Minimum strain energy density criterion,SED)进行修正,采用Python语言对ABAQUS的前、后处理和有限元计算模块进行二次开发,通过计算最优解的粒子群算法(Particle swarm optimization,PSO)将修正后的准则编入裂纹自动扩展程序脚本中。利用上述二次开发程序对初始纯Ⅰ型裂纹的扩展路径进行模拟,结果表明:采用ABAQUS脚本程序模拟结果与相关文献实验结果吻合,表明了程序的有效性,进而实现考虑T应力的多种断裂准则对裂纹扩展路径的预测;当T应力值处于一定范围内时,修正的MTS准则无法预测裂纹发生的偏转现象,扩展路径呈直线,此时可采用修正的SED准则进行预测。

T应力作用下的J积分理论研究

T应力是表征裂尖应力场所必需的物理量之一,在其作用下J积分的性质有待研究。推导了J积分在考虑T应力情况下的表达式,采用数值模拟方法在Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅰ+Ⅱ复合型加载工况下对该表达式进行验证,给出一种基于J积分的裂尖应力场参数计算方法。理论推导证明,J1积分的路径守恒性不受T应力影响,但J2积分的数值与积分路径起止点到裂尖距离r的平方根之间满足线性关系,J2-r曲线的系数与T应力相关。有限元仿真结果表明,试样裂纹长度对J积分的影响较为显著,网格尺寸对J积分计算结果的影响很小;相同载荷工况下,不同尺寸试样的J积分数值不同,但J2-r曲线的变化趋势与理论推导的表达式相符;在Ⅱ型和Ⅰ+Ⅱ复合型载荷工况下,T应力的求解精度较高,而在Ⅰ型载荷工况下,J2≈0,受舍入误差等因素影响,求解精度降低。

T应力对岩石裂纹扩展路径及起裂强度的影响研究

经典断裂判据在分析岩石起裂角度及强度时,往往只选择裂尖应力场展开式中的r^(1/2)奇异应力项,而将高阶的O(r^(1/2))项以及非奇异应力项(T应力)忽略,造成理论预测并不能完全吻合实际的试验结果。在充分考虑非奇异应力项对裂纹扩展影响作用的基础上,利用最大周向应力判据重新研究了岩石类材料脆性破坏的I、II及I-II复合型裂纹扩展。研究结果表明:(1)纯I型裂纹状态下,T应力为负时(压缩),裂纹的扩展是稳定的;而当T应力为正时(拉伸),只有当T2πr1/2<3K_1/8,裂纹才沿着裂纹方向扩展(经典断裂判据所预测的方向),而其他情况下裂纹的扩展将发生偏转;(2)纯II型裂纹时,不仅沿着裂纹方向的T应力影响起裂角度及强度,垂直裂纹面上的N应力也同样具有重要的影响作用;(3)对I-II型裂纹而言,修正后的最大周向应力准则与试验结果吻合良好,且正的T应力增大开裂角,而负的T应力降低开裂角。通过控制T应力的大小,可以对裂纹扩展方向加以控制,从而使得裂纹扩展偏离最危险的方向,最大地限度阻止或延缓结构整体断裂的发生。

T应力对岩石断裂韧度及扩展路径的影响

为了准确预测岩石类材料复合断裂韧度及裂纹扩展路径,提出结合T应力的修正最大周向应力断裂判据。该修正最大周向应力断裂判据是采用双参数模型(应力强度因子K和T应力)来描述岩石断裂的行为,对岩石类材料复合断裂进行理论计算和实验。结果表明:软岩半圆盘实验所得断裂韧度与传统最大周向应力断裂判据预测结果有较大误差,而修正最大周向应力断裂判据预测结果和实验结果相吻合;当T应力为正并且超过某一定值时,裂纹的扩展路径将发生偏折;T应力对脆性材料断裂试件的断裂韧度和裂纹扩展路径有影响。

考虑T应力的最大周向应变断裂准则研究

岩石的裂纹扩展问题需要确定所采用的断裂准则。为克服最大周向应力准则与材料参数以及平面应力和平面应变无关的不足,该文基于最大周向应变准则思想,推导既包含裂纹尖端r^(1/2)奇异应力项,又考虑非奇异项的应变型断裂准则。通过在K_Ⅱ中考虑摩擦的影响作用,进而实现不同摩擦系数条件下裂纹的起裂角度和起裂强度的研究。运用文中所提出的断裂准则,分别研究含单裂纹的无限板在双轴拉伸和双轴压缩两种条件下的断裂特征,进一步揭示泊松比、侧压系数、摩擦系数等材料参数对裂纹扩展的影响作用,计算结果与相应的试验及理论结果具有较好的一致性。

广义T应力对裂纹应力强度因子的影响

裂纹尖端的奇异应力场可以表达为Williams级数展开的形式,其中常数项(即T应力项)和非奇异项对裂纹尖端的应力应变场有着很大的影响,这些影响反过来作用于裂纹应力强度因子的计算.将T应力项和非奇异项合称为广义T应力,提出一种用特征分析法和边界元法配合求解广义T应力的新思路,可以根据需要任意选取广义T应力的项数,进而研究广义T应力对应力强度因子计算的影响.结果表明,考虑广义T应力项的应力强度因子计算结果与实验结果更加接近.

中心裂纹巴西圆盘压缩载荷下T应力研究

为了研究中心裂纹巴西圆盘试件在压缩载荷作用下T应力的解析计算方法,通过权函数法推导出集中载荷作用下T应力的显式表达式,进而得到分布载荷作用下的T应力表达式。与边界配位法进行对比,所得公式优点在于任意相对裂纹长度和任意加载角下的T应力值都能较容易的精确得到。进一步分析表明,分布载荷与集中载荷作用下T应力的偏差随着载荷分布角的增加而增加。集中载荷作用下,相对裂纹长度固定时,T应力随着加载角的增大而增大。中心裂纹巴西圆盘纯I型与纯II型断裂试验时,大多数情况下的T应力都为负值。T应力值对中心裂纹巴西圆盘测定断裂韧度试验有影响,想要通过使T应力为0来消除这种影响是很难达到目的的。

考虑裂缝几何特性和T应力的类岩石材料压剪张拉断裂准则

为探究类岩石材料中非闭合裂缝的压剪起裂机理,引入相对钝化系数和相对临界尺寸,建立了考虑裂缝几何特性和T应力的压剪张拉断裂准则,分析了不同因素对裂缝尖端周向应力分布规律和张拉起裂角的影响。考虑相对钝化系数后,张拉起裂角预测曲线得到明显改善;考虑T应力后,可解释由裂缝长度和材料属性引起的差异化断裂行为。根据几种典型类岩石材料的试验结果与理论曲线对比分析发现,当相对钝化系数较小时,理论预测值与试验值吻合较好,且预测角度范围较大;随相对钝化系数增大,理论预测值与试验结果误差逐渐增大,预测角度范围逐渐减小。解释了出现该现象的原因,讨论了基于线弹性断裂力学理论建立的压剪非闭合起裂准则存在的不足,并建议了本文准则的适用条件。

T应力对线弹性材料脆性断裂的影响

在考虑裂纹尖端应力场常数项T应力的基础上对传统的最小应变能密度因子准则(minimumstrain energy density criterion,SED)进行修正,应用修正的最小应变能因子准则对Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅰ-Ⅱ复合型脆性断裂问题分别进行研究,分析T应力对裂纹扩展方向和断裂时刻应力强度因子的影响并给出不同T应力条件下的通用的Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展条件,并将预测结果与现有的试验数据进行比较。分析表明,T应力对于Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅰ-Ⅱ复合型断裂均有显著影响,考虑T应力的SED预测结果和试验结果吻合很好。

T应力对混凝土断裂参数测定有效性的影响

对于线弹性材料,裂缝尖端平行于裂缝方向的T应力会影响裂缝的扩展方向和起裂断裂韧度,然而在混凝土类准脆性材料的断裂韧度测试中,无论是起裂断裂韧度还是失稳断裂韧度,T应力的影响却少有研究.以混凝土Ⅰ型断裂韧度测试常用的三点弯曲梁、楔入劈拉试件为对象,计算了裂缝尖端的T应力大小,并分析了其对裂缝扩展方向和断裂韧度的影响.分析计算结果表明:这些常用试件裂缝尖端的T应力相比于裂缝尖端控制因素应力强度因子K很小,不会影响裂缝扩展方向,保证了混凝土断裂失稳前一直处于Ⅰ型裂缝状态;另外,T应力对起裂断裂韧度和失稳断裂韧度的数值也不会产生影响,说明常用试件进行的混凝土断裂韧度确定方法是可靠有效的.

考虑T应力的岩石压剪裂纹起裂机理

传统断裂理论在研究岩石压剪裂纹起裂机理时,往往仅考虑裂纹尖端应力场Williams展开式中的r1/2奇异应力项,而忽略了非奇异应力项(T应力)的影响,造成理论预测值与试验结果不符。在对压剪应力下裂纹受力特征进行分析的基础上,将T应力引入传统断裂力学的最大周向应力准则,提出了考虑T应力的修正最大周向应力准则。同时考虑压剪应力下的裂纹应力传递特点,在上述准则中又引入裂纹面法向刚度及切向刚度等变形参数。最终建立了能够同时考虑岩石性质和裂纹几何参数(如裂纹倾角、长度等)、强度参数(裂纹面摩擦系数)及变形参数(裂纹面法向及切向刚度)的最大周向应力准则,更好地反映了岩石压剪裂纹起裂机理。算例表明由该方法计算得到的翼裂纹起裂角与试验结果吻合较好,同时通过参数敏感性分析发现裂纹尖端相对临界尺寸对翼裂纹起裂角的影响最大。

干涉问题中T应力与各向异性的作用

采用离散模型（包括半无限主裂纹和近尖微裂纹）研究了各向异性材料主微裂纹干涉问题中Ｔ应力对主裂尖参数的影响，并且与相同情况下各向同性材料的结果进行了比较，比较结果列于文中各图．研究结果表明，在各向异性材料和各向同性材料中Ｔ应力对主裂尖应力强度因子的影响趋势是相似的，但是由于Ｔ应力与材料各向异性性质的共同作用，使两种情况下Ｔ应力对主裂尖参数的影响结果存在着明显的偏差．

T应力对半圆盘岩石试件裂纹断裂及扩展机理研究

为将常规的最大周向应力扩展准则与考虑T应力的修正最大周向应力准则的理论预测结果及试验测试结果进行对比,验证笔者建立的修正最大周向应力裂纹扩展准则的准确性,得到T应力对断裂韧性及裂纹扩展规律的影响,采用三点弯曲半圆盘试件,通过改变预制裂纹方向,对Ⅰ-Ⅱ复合型断裂韧性和裂纹起始扩展角进行了研究。研究结果表明:当考虑T应力后,纯Ⅰ型裂纹扩展角不再保持为0,裂纹扩展方向发生偏折;关于Ⅰ-Ⅱ复合型断裂而言,当T应力为正时,材料抵抗裂纹继续扩展的能力增强,断裂强度增大;当T应力为负时,材料抵抗裂纹继续扩展的能力减弱,断裂韧性会减小。T应力对裂纹起裂角及临界应力强度因子的影响是不可忽略的,尤其是对Ⅱ型断裂影响更为显著,GMTS准则能够更好的预测岩石复合型裂纹初始扩展角及断裂韧性。

考虑T应力的PBX裂纹尖端失效区和起裂行为

为了研究高聚物粘结炸药(PBX)结构在复杂应力状态下裂纹的起裂特征,针对中心贯穿斜裂纹的无限大平板模型,基于考虑T应力的裂纹尖端应力场和Drucker-Prager强度准则,理论上给出了考虑材料拉压比、泊松比、静水压力、应力状态、裂纹面闭合摩擦以及T应力的PBXⅠ-Ⅱ复合型裂纹尖端失效区隐式控制方程。利用裂纹尖端失效区最小半径起裂准则,研究了T应力对PBX裂纹尖端失效区和起裂行为的影响。理论研究表明,远场拉伸下,T应力导致裂尖失效区增大(0°<β<45°)或减小(45°<β<90°),T应力使裂纹起裂角减小;远场压缩下,裂纹处于纯Ⅱ型状态,裂纹面闭合摩擦效应减小了裂尖失效区,但不影响起裂角。T应力使压剪裂纹起裂角增大并减小了失效区。同时,T应力使最危险裂纹倾角β0明显增大。因此,研究PBX裂纹起裂行为,需要充分考虑裂纹尖端T应力的影响。

T应力在转变温度下对断裂韧度的影响

引入T应力,利用有限元计算出应力强度因子和T应力.将T应力和应力强度因子结合起来描述转变温度下的断裂韧度.根据实验结果,给出了T应力和转变温度之间的简单关系式.然后,利用此简单的关系式,建立转变温度和断裂韧度之间的关系.实验结果显示,用结合了T应力断裂韧度的判据比较准确地预测了转变温度下的断裂韧度.

平台巴西圆盘复合型加载下T应力计算法

平台巴西圆盘(CFBD)具有避免加载点处应力集中、保证破坏由预制裂纹尖端处起始的优点,成为研究脆性材料断裂性能的常用试件之一。最近的研究发现,T应力也会影响材料断裂性能,但平台巴西圆盘并没有计算T应力的解析公式。使用解析分析与有限元数值分析相结合的方法,对复合型加载条件下平台巴西圆盘试件的T应力进行了计算,并对误差进行了系统的分析。结果表明,在一定载荷分布角内相对裂纹长度?≤0.65时,不管是纯I、纯II还是复合型加载条件下平台巴西圆盘计算的T应力都可以用中心裂纹巴西圆盘均布载荷下T应力计算公式来计算;T应力相对误差随着相对裂纹长度的增加而增加。

压缩荷载作用下考虑T应力影响的裂纹扩展行为特性

在充分考虑裂纹尖端应力场Williams展开式中非奇异应力项对裂纹扩展影响的基础上,提出了考虑裂纹表面摩擦效应和T应力影响的裂纹尖端附近应力的理论解,并利用修正的最大周向应力准则分析了压缩荷载作用下T应力对裂纹起裂、扩展行为的影响;通过单轴压缩试验裂纹起裂角的试验结果与理论值的对比,验证了考虑3个T应力分量(T x、T y、T xy)所得理论解的合理性。结果表明:初始裂纹倾角β一定时,裂纹尖端最大周向应力σθmax和剪切应力绝对值的最大值|τrθ|max随着裂纹表面摩擦系数f的增大逐渐减小;σθmax和|τrθ|max随着侧压力系数k的增大呈先减小后增大的趋势;k和β越大,裂纹发生剪切开裂的概率越大;通过调整T应力的大小,可以有效控制裂纹扩展的方向,使其偏离危险方向,有效延缓或阻止构件发生整体断裂。

T应力对光弹性条纹影响的理论分析

以裂尖弹性应力场的多参数模型为基础,研究Ⅰ型、Ⅱ型以及Ⅰ/Ⅱ混合型裂纹参数对光弹性条纹的影响.T应力的存在和符号影响着等色线条纹环的半径大小和旋转方向,对于纯Ⅰ型或Ⅱ型裂纹而言,条纹环的旋转角度只与T应力有关;而对于Ⅰ/Ⅱ混合型裂纹,条纹环旋转角度与K_Ⅰ,K_Ⅱ和T应力有关.T应力的存在使得Ⅰ型裂纹在裂尖±π/3方向上出现2个各向同性点(T应力为正时),使得Ⅱ型裂纹在裂尖后的裂纹面上出现1个各向同性点.对于Ⅰ/Ⅱ混合型裂纹而言,当T应力为正时等倾线出现距裂尖半径不等的3个各向同性点;反之,T应力为负时在裂尖后只存在1个各向同性点,这些各向同性点分别与Ⅰ型和Ⅱ型裂纹情况具有相同的规律.

基于数值流形方法和交互积分法的平面裂纹T应力求解

发展了用于计算含裂纹平面各向同性线弹性材料T应力的数值流形方法(NMM)。利用修正变分原理导出了分析二维裂纹问题的NMM离散方程,给出了围域型交互积分法提取T应力的主要公式;对单边裂纹问题、倾斜裂纹问题、孔边多裂纹问题三个算例进行了模拟,证实了本文方法的收敛性和精度,并进一步探讨了裂纹构型(如裂纹的长度和倾角)对T应力的影响规律。

考虑T应力的Ⅰ/Ⅱ型裂纹最大切向应变能密度断裂准则及其验证

为准确预测Ⅰ/Ⅱ复合型加载条件下岩石类脆性材料的断裂行为,首先,在传统最大切向应变能密度断裂准则的基础上,考虑裂纹尖端应力场Williams展开式中的非奇异应力项(T应力),建立了考虑T应力的Ⅰ/Ⅱ型裂纹广义最大切向应变能密度断裂准则;其次,探究T应力及泊松比对初始裂纹起始扩展角及起始扩展条件的影响;最后,基于5种岩石材料的中心直裂纹巴西圆盘复合断裂试验结果对该准则的有效性进行验证。研究结果表明:随T应力增大,裂纹起始扩展角逐渐增大,而KII/KIc逐渐减小;随泊松比增大,裂纹起始扩展角及K_(Ⅱ)/K_(Ic)同时减小;纯Ⅱ型断裂时,T应力及泊松比对K_(Ⅱ)/K_(Ic)的影响最显著;考虑T应力的最大切向应变能密度断裂准则所得结果与室内试验结果相吻合,验证了该准则的有效性。