基于不同断裂准则下水力压裂裂纹起裂规律研究

为研究煤矿顶板定向水力压裂裂纹扩展机理,探究不同断裂准则之间的关系,基于断裂力学理论构建钻孔水力压裂力学模型,推导不同断裂准则下的起裂角和临界水压计算公式,分析不同变量对起裂角和临界水压的影响效果。结果表明:①注入水压的增大会显著降低起裂角,且预制裂纹倾角与起裂角曲线极值会随着水压的增大而向45°附近移动;随着应力差的增加,起裂角逐渐增加;起裂角随预制裂纹长度与钻孔半径比值的减小而增大;泊松比对起裂角的影响效果有限。②临界水压随着预制裂纹倾角和主应力差的增大而增大,但在低预制裂纹倾角条件下,σ准则计算出的临界水压会随着主应力差的增大而减小;钻孔半径和预制裂纹长度的增加会显著减小临界水压。③对比临界水压的理论计算结果与试验结果知,二者有较好的拟合性。研究结果可指导水力压裂现场施工。

基于破坏准则的岩石压剪断裂判据研究

在分析压剪复合型裂纹尖端应力场的基础上,利用最小J2准则得到压剪裂纹的起裂角。把岩石压剪断裂问题与岩石的破坏准则联系在一起,利用岩土材料中广泛应用的Mohr-Coulumb准则和Drucker-Prager准则分别建立两个岩石压剪断裂判据。计算结果表明,基于强度准则建立的岩石压剪断裂判据比较合理;纯II型裂纹的断裂韧度与纯I型裂纹的断裂韧度的比值与泊松比和内摩擦角的取值有关系(纯II型裂纹的起裂角是某个定值时),而与其他岩石力学参数没有关系。

结构钢开孔管断裂试验及数值分析

为研究金属的断裂机理及抗断设防,对10个结构钢开孔管进行了断裂试验和数值模拟.试验显示:裂纹起始于孔边,沿与荷载垂直方向迅速扩展,断面垂直于荷载方向,并有明显的剪切破坏痕迹,显示出断裂的定性规律;孔径越大,起始裂纹出现越早,开裂后的残余延性越大,双孔管断裂延性低于单孔管.结构钢开孔管断裂试验的数值分析表明:金属椭球面断裂准则对预测结构钢开孔管宏观初始开裂具有较高的精度,与试验结果吻合较好,但对双孔管断裂预测略偏于保守,该试验具有一定的工程意义.

几种韧性材料的断裂机理及应力参数分析

应用传统强度理论和细观力学方法对几种韧性材料在复合载荷条件下的断裂机理、启裂位置、开裂方向进行了实验分析和应力场计算.结果表明,对应于不同的应变硬化率和复合比,韧性材料的断裂形式和断裂机理会发生变化;钝化变形区应力三维度最大处和锐化变形区剪应力最大处是裂纹的启裂位置;根据启裂点上的最大拉应力方向或最大剪应力方向可预测裂纹的开裂方向;应力状态及相关参数的临界值可作为断裂过程的控制参数.

基于分子动力学模拟结果的界面破坏准则

结合材料的破坏通常都是从界面或其附近发生的,但界面破坏的机理及其评价准则尚未十分清楚。采用分子动力学模拟方法,可以对结合材料的界面起裂过程进行模拟,从而获得结合材料界面应力和界面破坏之间的关系。虽然在分子动力学模拟中采用了高度简化的界面模型,但对界面起裂过程的模拟,仍可以帮助人们获得结合材料界面破坏过程的规律性认识。通过在界面附近引入初始裂纹,导致界面上应力集中,从而引起界面起裂。从分子动力学模拟结果出发,提出了一个结合材料界面起裂,即界面破坏的准则。

超声磨粒冲击加工去除模型建立与仿真

运用脆性材料的临界切削深度理论,结合Hertz弹性接触理论和运动学方程对超声波磨粒冲击去除机理进行了理论分析,并采用光滑质点流体动力学(SPH)方法,研究了加工过程中磨粒冲击对脆性材料裂纹形成及扩展的影响。结果表明:光学石英玻璃的临界切削深度为0.013μm。采用粒度为W7的磨粒,加工间隙一定,超声工具头端面振幅在约低于23.87μm加工时,可实现在延性模式下研抛出高质量的石英玻璃表面;当振幅高于23.87μm时,可实现在脆性断裂模式下对玻璃表面的高效率研磨。仿真结果表明:脆性材料在磨粒冲击过程中首先表现为弹塑性变形,当达到材料的临界断裂应力时,材料内部开始出现裂纹。

岩石材料裂纹尖端起裂特性研究

通过综合考虑Williams展开式中奇异应力项和非奇异应力项(T应力),运用断裂力学方法深入探讨远场拉–压、压–压应力组合下裂纹尖端起裂特性。在最大周向应力准则中考虑T应力的影响作用,并将其作为拉伸破裂判据;在剪切破裂方面,提出考虑法向应力影响的最大剪应力准则。通过对拉伸和剪切破裂发生条件的探讨,进一步阐明剪切破坏与裂纹倾角、内摩擦角、抗拉强度、黏聚力等参数之间的关系。研究结果表明,Williams展开式中非奇异应力项对于裂纹起裂角有重要的影响,所提出理论比传统理论计算的起裂角与实验结果更加吻合。随着内摩擦角的增大,剪切破裂减弱而拉伸破裂增强。随着黏聚力增大或者抗拉强度降低,拉伸破裂增强而剪切破裂减弱。