基于最大周向应变的岩石复合型断裂准则解析与验证

为提高对线弹性材料复合型裂纹扩展预测的精确性,弥补常用的最大周向应力准则未考虑材料泊松比且无法区分平面应力与平面应变的缺陷,从应变角度出发,并考虑了非奇异应力项(T应力)在脆性断裂中的作用,建立了基于最大拉应变准则的线弹性材料裂纹扩展判别准则,研究T应力和泊松比对岩石裂纹扩展的影响。结果表明:裂纹倾角β45°时,裂纹起裂角预测结果随无量纲特征距离α的增大而增大;裂纹倾角β45°时,裂纹起裂角预测结果随α的增大而减小;考虑T应力的最大周向应变准则起裂角预测值与试验数据更加吻合,裂纹扩展受T应力和应力强度因子的共同作用,T应力和无量纲特征参数均对岩石裂纹断裂特性具有很大影响,采用考虑T应力的最大周向应变准则判断岩石裂纹的断裂特征能够弥补基于应力的裂纹扩展判别准则的不足。     

裂纹顶端的扩展准则

在过去几十年里，断裂力学处理纯I型或Ⅱ型或Ⅲ型裂纹问题取得了巨大的成功。然而由于裂纹的方位不对称、荷载分布不对称等原凶，存工程结构分析中经常遇到的是复合形式。凶此，对复合型裂纹研究具有更为重要的理论意义和实用价值。预测和模拟复合型裂纹扩展行为时，必须确定一个描述裂纹扩展方向角及裂纹扩展的临界条件的有效的裂纹扩展准则，结合理论分析和实验观察，人们建立了几种复合型扩展准则，如最大周向正应力准则、能量释放准则、应变能密度准则、等应变能密度线上最大周向正应力准则和塑性区最小半径准则等。从裂纹扩展时能量的守恒和转换中知道，裂纹尖端塑性区的存在是材料抵抗断裂的重要因素，裂纹扩展所用的塑性功与材料的断裂韧性有密切的关系。已经知道，平面应变的塑性区远比平面应力条件下的塑性区要小，因而平面应变远较平面应力容易发生脆断。应变能密度表征着材料构件受力变形过程中贮存的能量。塑性区内及其方向的应变能在一定程度上反映了材料的抗断裂能力。基于这种情况和想法并结合屈服条件进行研究，本文在应用断裂理论和塑性力学理论对裂纹顶端分析的基础上，提出了塑性区内方向应变能裂纹的概念，并建立了基于此概念的裂纹扩展准则。     

受压脆性岩石Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹水力压裂研究

在线弹性断裂力学理论的基础上,运用最大周向拉应变理论,分析了受远场地应力作用及裂纹面受水压力作用下脆性岩石裂纹的起裂方向及起裂条件。论述了泊松比μ对开裂角θ0,θ0-β关系以及断裂包络线的影响,给出了满足最大周向拉应变理论的Ⅰ-Ⅱ复合型断裂包络线;定义水力压裂裂纹扩展影响因子D并分析其对水力压裂裂纹起裂及扩展的影响,D值逐渐增大时,KⅡ 逐渐减小,KⅠ逐渐发挥主导作用,与数值计算结果一致;最后进行实例分析,并与现场水力压裂结果比较,二者结果比较接近。     

煤层预裂爆破复合型宏观裂纹扩展的断裂理论分析

以断裂力学理论为基础,分析了煤层宏观裂纹所处的应力场分布特性和应力强度因子,按照最大周向应力原理确定了裂纹扩展方向、断裂准则和扩展长度。结合工程应用实际情况,得出了爆破孔周围宏观裂纹扩展的最大长度和最小长度。     

裂隙岩石拉伸断裂破坏理论分析试探

利用边界配置法对最大周向应力理论、有效应力理论进行了修正,建立了实验室尺度下拉剪裂纹的两种破坏准则,并通过相应的破坏准则建立起了岩石单轴拉伸强度与断裂韧度之间的关系,给出了量化裂隙岩石试件抗拉强度的无量纲量,分析了裂纹倾角、裂纹长度对裂纹尖端开裂角及裂隙岩石试件的抗拉断能力的影响。结果表明,开裂角以及裂隙岩石的抗拉断裂能力(抗拉强度)均随裂纹倾角的增大而增大;对于具有宏观裂隙的试件,开裂角及抗拉断能力随裂隙长度的增加而递减;试件的尺度对裂隙岩石的强度影响不容忽视。     

乳化液泵阀座拉升器疲劳裂纹扩展有限元分析

基于线弹性断裂力学,采用有限元分析,对乳化液泵用阀座拉升器中疲劳裂纹扩展进行预测,获得Ⅰ+Ⅱ型(张开型+滑开型)混合型裂纹的等效应力强度因子,并应用到Paris公式中,从而求得裂纹扩展增量以及总的裂纹长度；混合型裂纹扩展方向角也可应用Ⅰ型(张开型)和Ⅱ型(滑开型)的裂纹应力强度因子计算得出.分析表明:在裂纹扩展前期,有限元裂纹扩展方向角约与拉升器螺杆轴线成45°的方向,与试验结果吻合度较高.     

Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹对脆性岩石受压破坏的影响

脆性岩石内部的细观裂纹是导致其失稳破坏的重要因素之一,基于细观机制研究岩石受载后微裂纹的扩展、贯通有着重要的意义。脆性岩石内部主要存在Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹,目前该复合裂纹的扩展、贯通对岩石受压产生失稳破坏的影响研究相对较少。依据最大周向拉应力准则,结合拉剪复合作用下的Ⅱ型裂纹强度因子将Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹的强度因子表达式作了变换,得到了受裂纹参数影响的Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹的强度因子表达式,并通过裂纹强度因子与裂纹扩展之间的关系式得到了受Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹参数影响的应力与裂纹扩展长度的关系式,再结合损伤—应变关系推导出受其裂纹参数影响的应力—应变关系式。通过对比大理岩的常规三轴实验结果,发现二者比较吻合,充分验证了该模型的合理性。结果表明,岩石的承载力随着岩石内部初始损伤、裂纹尺寸以及翼型裂纹长度的增大而减小,随着裂纹间摩擦系数的增大而增大。并且在相同轴压的情况下,随着围压的增大,裂纹扩展长度减小,说明围压有效地遏制了岩石内部裂纹的扩展、贯通。本文从细观力学的角度解释了Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹参数对岩石承载能力的影响,并将裂纹开裂角考虑到了其中,为从细观机制方面研究岩石的受压破坏提供了一定的参考。     

含倾斜边裂纹岩石冲击断裂模拟试验

为模拟岩石在冲击荷载下,裂纹与加载方向不同角度情况下的断裂行为,利用透射式焦散线测试系统,采用单边切口三点弯曲梁试件,进行三点弯曲梁冲击断裂试验。研究结果表明：含倾斜边裂纹试件受到正应力和剪切力作用,裂纹为复合型裂纹,裂尖产生的焦散斑为复合型焦散斑;预制裂纹与加载方向的夹角变化时,动态应力强度因子、裂纹扩展时间以及裂纹扩展速度都随之变化;预制裂纹与加载方向的夹角增大时,裂纹扩展速度的最大值增大,裂纹扩展速度的振荡性增强;当荷载的加载方向与预制裂纹的方向一致时,裂纹起裂最快,裂纹为I型裂纹。冲击载荷方向与预制裂纹夹角增大时,扩展裂纹表现为复合型特征,动态应力强度因子KdⅡ表现越明显,其最大值随夹角的增大而增大。     

加载方式与冲击速度对煤裂纹扩展规律的影响

为研究加载方式与冲击速度对煤裂纹扩展规律的影响,采用非对称加载半圆弯曲试件开展了冲击载荷下Ⅰ型、Ⅱ型及Ⅰ-Ⅱ复合型3种加载方式下多种冲击速度的断裂试验与数值模拟,研究了加载方式和冲击速度对煤样动态断裂裂纹扩展过程、裂纹起裂时间和煤样破坏形式的影响规律。结果表明:煤样在Ⅰ型动态加载下,裂纹呈直线形式;在Ⅰ-Ⅱ复合型和Ⅱ型加载下,裂纹呈向左上方扩展的曲线形式;3种不同加载方式下,煤样裂纹起裂时间均随冲击速度增大而减小,其影响逐渐减弱,煤样在Ⅱ型加载下起裂时间明显大于其他2种加载方式;煤样破坏程度均随冲击速度的增大而加大,Ⅰ型加载影响较小,Ⅰ-Ⅱ复合型和Ⅱ型加载影响较大。     

不同围压下含预制裂隙煤体裂隙演化特征研究

为探究不同围压下含预制裂隙煤体裂隙演化特征,基于受载煤岩工业CT扫描系统开展不同围压下三轴压缩试验,通过受载煤体内部裂隙三维可视化分析,研究不同围压下煤体裂隙演化规律,借助PFC模拟软件,以裂纹数量为量化指标表征围压对裂纹发育程度的影响。此外,推导出考虑裂隙宽度的应力强度因子表达式,并以最大周向应力准则计算裂隙的理论起裂角度。结果表明：随着围压的增大,裂隙起裂角度减小,3,5,7 MPa围压下,翼裂纹在预制裂隙端部沿着最大主应力方向扩展,最终呈现为“X”或“Y”型拉-剪复合型破坏,9 MPa围压下,煤体翼裂纹发育受阻,次生裂纹充分扩展,呈现出次生裂纹沿共面扩展的剪切破坏形式;围压效应和剪切裂纹的互锁效应均对裂隙发育模式产生影响,但二者作用机制不同,前者为全局作用,后者必须在原生裂隙压密到一定程度时才发挥作用;矿物颗粒赋存状态影响裂隙的发育形态,由纯粹拉应力导致的翼裂纹较为完整,而次生裂纹则呈“残缺”状态,该残缺状态随围压增加而增加;峰值应力前,各裂纹数量呈先减少后增加的规律,拉伸裂纹占比不断减少;经典欧文Ⅰ型应力强度因子适用于张开型裂隙,采用考虑裂隙宽度的应力强度因子计算的起裂角度更接...     

基于强度组配对设计曲线的简单修正

将相当应变的观点应用到含有一个焊缝裂纹的焊接宽板中，可以看出焊缝金属与母材塑性的差异显著影响其断裂韧性和裂纹扩展驱动力，重要的一点是仅根据断裂韧性或裂纹扩展驱动力来衡量焊接接头非等组配的影响是不够的，如何材料的应力应变曲线合线性硬化规律，得出一个简单的ＣＴＯＤ设计曲线的修正表达式，可以用来预测焊接结构的极限载荷，极限应变或极限裂纹长度。     

基于断裂力学理论的结构裂纹扩展机理分析

阐述了断裂力学理论的研究现状及应用范围,同时基于断裂力学理论,对结构断裂的扩展机理进行分析,论述了3种不同裂纹类型的应力强度因子对裂纹扩展的影响。同时,利用有限元分析软件Abaqus设立位移增量分析步,对裂纹扩展全过程进行模拟,并运用断裂力学理论对结构断裂的扩展过程进行更详细分析。研究结果表明:结构中裂纹扩展与否,与裂纹的应力强度因子有着必然联系,当裂纹的应力强度因子大于其断裂韧性时,裂纹将发生扩展。     

岩石Ⅱ型裂纹扩展的一般规律

对大理岩Ⅱ型裂纹的扩展规律进行了实验研究，认为岩石Ⅱ型裂纹的扩展具有机理安全不同的Ⅰ型，Ⅰ－Ⅱ复合及Ⅱ型３种断裂形式，因而有３个不同的剪切断裂韧性Ｋ＾ＩＩＩｃ，Ｋ＾Ｉ－ＩＩＩＩｃ及Ｋ＾ＩＩＩｃ。在纯剪断裂条件下，Ｋ＾Ｉ－ＩＩｃ＝Ｋ＾Ｉ－ＩＩＩＩｃ＜ＫＩＣ，Ｋ＾ＩＩＩｃ＝３ＫＩｃ，由此认为剪切裂纹的扩展应有３个不同的判据。     

开采解放层预防煤与瓦斯突出的断裂力学分析

为了对煤与瓦斯突出事故进行有效的预防和控制,运用断裂力学的基本理论,对开采解放层对防治煤与瓦斯突出所起的作用进行了理论分析,建立了被解放层Irwin-Kies关系的恒位移模型,并系统地分析了该模型内的各种能量关系。采用最大周向应力理论(σ_θ准则)来判断煤体中裂纹是否会扩展,运用能量释放率断裂准则(G准则)来判定裂纹是否会失稳扩展,提出了从减小煤体的应力强度因子和提高断裂韧度方面来防止煤与瓦斯突出的一种新方法。     

冲击载荷下圆孔缺陷对材料固有线性缺陷影响的实验研究

采用数字激光动态焦散线测试系统,在冲击载荷作用下研究圆孔缺陷对材料体固有线性缺陷的影响规律,以及裂纹扩展的动态行为。结果表明:圆孔缺陷使Ⅰ裂纹起裂时间增长,速度、应力强度因子值增大,Ⅱ裂纹贯穿试件的时间缩短,速度、应力强度因子呈现急剧增大的趋势;当Ⅰ裂纹扩展至圆孔缺陷周围时,圆孔对裂纹的扩展速度和应力强度因子有明显的抑制作用,并且这种抑制作用随着圆孔直径的增加而变得更加明显。     

巷道内径向裂纹在冲击载荷作用下的起裂与扩展研究

为了研究在冲击载荷作用下巷道围岩周边径向裂纹的破坏机制,利用落锤冲击试验机冲击含径向裂纹的砂岩拱形巷道模型,裂纹与巷道拱顶圆弧圆心成不同倾角(θ=0°～90°),借助裂纹扩展计及应变片确定试样裂纹的起裂时刻及裂纹传播速度,并分析裂纹扩展路径中的止裂问题和计算起裂韧度,随后进行相关的数值模拟。研究发现:Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹的扩展行为与Ⅰ型及Ⅱ型起裂韧度都有较大关系,同时与预制裂纹倾角θ也有较大关系,动载荷下的Ⅰ型起裂韧度与静载荷下的Ⅰ型起裂韧度存在很大差异;纯Ⅰ型裂纹起裂方向与原裂纹方向相同,并在扩展过程中存在止裂现象,但Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹与原裂纹成一定夹角起裂并扩展形成翼型裂纹,随后沿着巷道的对称轴中间区域进行扩展;巷道模型在动力载荷作用与静力载荷作用下,两侧边墙的破坏行为有很大差别。     

应力旋转条件下水力压裂裂纹扩展规律研究

为探究地应力旋转对水力压裂钻孔裂纹扩展的影响,理论分析了不同应力轨迹下起裂角度的变化规律,采用相似模拟实验对不同应力角度下的起裂应力进行了分析,并运用数值模拟方法探究了应力旋转条件下的裂纹扩展规律。结果表明：随着应力轨迹的旋转,起裂角逐渐向煤层的走向方位偏转。水力钻孔与水平主应力的角度越大时,起裂压力会明显增加,同时裂纹扩展呈现“平台”特征,不利于水力裂纹的快速扩展。当应力无旋转时,水力裂纹沿最小主应力方向扩展。应力发生旋转,当应力差较小时,裂纹在尖端会发生破裂;当应力差较大时,初始水力裂纹的扩展被抑制,新衍生的水力裂纹会沿最小主应力方向扩展。     

单侧开半圆孔PMMA试件Ⅰ型和Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹动态扩展及数值模拟研究

为研究Ⅰ型和Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹扩展问题,利用分离式霍普金森杆(SHPB)对含有预制裂纹的单侧开半圆孔(Unilateral Semicircular Hole,USH)PMMA 试件进行冲击,得到了Ⅰ型裂纹和Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹,同时采用动态焦散线实验方法研究了裂纹扩展时程关系及裂纹扩展尖端动态应力强度因子的变化规律,利用ABAQUS 软件对试验过程进行数值模拟,研究其扩展路径。结果表明:通过试验得到的Ⅰ型和Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹轨迹和数值模拟的结果基本相似,证明了利用数值方法模拟裂纹扩展轨迹的可行性;两种类型的裂纹在扩展过程中尖端均会出现停顿,最终都会朝着试件中轴线方向移动;使用单侧半开圆孔试件进行SHPB以及动态焦散试验可以有效研究Ⅰ型和Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹扩展过程,为后续研究裂纹扩展提供思路。     

微小疲劳裂纹的闭合现象及疲劳强度的评价(Ⅰ)

通过对碳素结构钢（JIS－S45C）和高强度低合金钢（JIS－SNCM439）两种材料的边缺口试验片的周向拉压疲劳试验,用裂纹闭合的观点研究从缺口顶端萌生的微小疲劳裂纹的扩展现象。运用裂纹扩展抵抗阻力曲线法（R曲线法）对缺口试验片的疲劳强度进行了评价。包括裂纹的萌生极限、断裂极限以及停止扩展裂纹长度的预测值与实验结果吻合。     

应力比对热等静压Ti-6Al-4V钛合金疲劳裂纹扩展速率的影响

采用标准C(T)试样测定热等静压Ti-6Al-4V钛合金在应力比R=0.1、0.4和0.7的条件下疲劳裂纹扩展速率,获得相应条件下的疲劳裂纹扩展数据,绘制了对应的裂纹扩展速率与应力场强度因子(da/dN-ΔK)关系曲线,并结合疲劳裂纹扩展路径和断口形貌分析探究应力比R对热等静压Ti-6Al-4V钛合金裂纹扩展速率的影响。结果表明,随着应力比R的增大,裂纹扩展门槛值ΔKtn减小。相同ΔK下,裂纹扩展速率da/dN随应力比R一同增大,致使da/dN-ΔK关系曲线向左上移动;裂纹能够穿过等轴晶α相和纤薄的α片层结构呈直线型扩展,遇到较厚的α片层结构时,裂纹偏转并沿原始α片层方向继续扩展,最终发生断裂;断口由预裂区、稳态扩展区和快速断裂区构成,分别对应于疲劳裂纹扩展的三个阶段。