岩石Ⅲ型裂纹尖端应力场及塑性区的研究

依据线弹性断裂力学的基本分析方法，分析了岩石Ⅲ型裂纹尖端的主应力和主应变场，并且探讨了裂纹尖端塑性区的形状及大小，给出了求解岩石Ⅲ型裂纹应力场及塑性区的表达式。     

基于统计损伤理论岩石非共面重叠裂隙扩展搭接规律数值模拟研究

为探究非共面重叠裂隙的扩展贯通规律,基于损伤理论建立了含非共面重叠双裂隙的计算模型,对单轴压缩下的裂纹扩展过程进行了描述,与试验结果对比验证了数值模拟的合理性,同时对应力-应变关系进行了阐述,从细观的角度对不同倾角的裂纹差异进行了解释,最后基于断裂力学理论推导了翼裂纹的产生机理。结果表明:裂纹尖端产生"翼形裂纹",预制裂纹倾角较小时翼裂纹从靠近预制裂纹尖端而非裂纹尖端产生,而倾角较大时则从预制裂纹尖端产生;含共面非重叠裂隙的应力-应变曲线呈现三个典型的阶段:弹性阶段、损伤阶段及破坏阶段。弹性阶段声发射事件数较少,损伤阶段声发射事件数逐渐增加,破坏集中发生于破坏阶段;对于裂隙倾角较小的情况,最大拉应力出现在靠近裂隙尖端处,而不是裂隙尖端处,对于裂隙倾角大于30°的情况,最大拉应力出现在裂隙尖端处,且裂隙的倾角越大,拉应力区也越大,压应力区越小;基于断裂力学理论推导了裂纹尖端的开裂准则,表明翼形裂纹的产生是由于其裂纹尖端的拉应力所导致。     

高应变率单轴压缩下岩体裂隙扩展的细观位移模式

为了研究动态荷载作用下岩体裂隙扩展机制,通过细观颗粒平行黏结模型(PBM)的模拟,分析了高应变率单轴压缩条件下单裂隙岩样的损伤演化及细观位移场。高应变率大小对岩样最终破裂形态影响不大,但随应变率的增大,细观裂纹越多且局部化程度越强。随着裂隙倾角的增大,裂纹分叉交织越密,并在裂隙倾角≤45°和≥60°范围内分别具有相似的破裂形态。裂隙尖端翼裂纹是倾斜裂隙面相对滑移致使尖端撕裂的结果,高应变率下翼裂纹在峰后不再扩展。应变率越小,裂隙倾角越小,翼裂纹扩展的长度越长。定义了3类细观颗粒间的位移模式及其所形成的3类裂纹性质。将裂纹扩展概括为6种基本模式:翼裂纹+张拉、顺翼裂纹、反翼复合裂纹+张拉、顺翼复合裂纹+张拉、共面复合裂纹和倾斜复合裂纹,其中复合裂纹为拉剪裂纹或压剪裂纹。     

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。     

不同距离应变片测定Ⅰ型动态应力强度因子对比试验研究

基于线弹性断裂力学理论,采用应变片法开展了冲击动荷载作用下的三点弯曲试验,探讨距扩展裂纹不同距离的应变片测定Ⅰ型应力强度因子的差异。当应变片与扩展裂纹成特定锐角和钝角时,采用与裂纹扩展速度和应变片的位置相关的二项式表征裂纹尖端附近应变场,并结合理论解析和试验实测的应变与裂纹扩展时间曲线,推导得到了应力强度因子计算公式。同时,采用动焦散线试验对比分析应变片法测定的动态应力强度因子值。结果表明,应变片在裂纹尖端附近合理区域内,测定的裂纹尖端动态应力强度因子值与动焦散线试验结果吻合较好;明确了不同距离对测定Ⅰ型裂纹应力强度因子的影响,随着应变片粘贴距离变大,测定的动态应力强度因子值与动焦散线法相差增大。研究结果为进一步应用应变片法研究岩石类材料的断裂性能提供了试验基础。     

关于钢的疲劳断裂韧性

1.序言对于大型机械零件和构件脆性断裂的防止,平面应变断裂韧性 K_(10)值可以作为设计应力计算的基础,这在确保安全方面似乎找到了一个光明的前景。然而,正如作者之一的横堀[1],[2]指出的那样,除了能完全满足平面应变状态的理想场合之外,断裂韧性值并不是材料的特性值,而是随着裂纹尖端塑性区的构成不同而不同。在循环载荷下的裂纹尖端塑性与单一负荷下的裂纹尖端塑性区,其构成是不相同的,因而对于疲劳载荷而言,最终急速断裂的条件不是 K_(10),必须用另一个量,即叫做疲劳断裂韧性的量来表示[3][4]。     

岩石压缩条件下微裂纹扩展机制研究及数值模拟

岩石在压缩加载过程中的变形由岩石母体的线弹性应变和微裂纹引起的非弹性应变组成,微裂纹扩展与裂纹尖端应力强度因子大小有着密切的关系.基于细观力学方法,分析了岩石微裂纹相对滑动的条件及扩展准则.运用RFPA2D程序,对在压缩条件下岩石单一微裂纹的扩展过程进行了数值模拟,结果表明,微裂纹在起裂扩展前,在相当一段时间内,原生裂纹上下2个裂纹面会发生相对摩擦滑动;岩石受压时微裂纹产生沿最大主压应力方向扩展的次拉伸裂纹,该次拉伸裂纹是岩石产生劈裂破坏的主要因素.     

电解加钛6009变形铝合金SEM原位拉伸观察

以电解加钛6009变形铝合金为研究对象，利用扫描电镜研究了电解加钛6009变形铝合金在单向拉伸载荷下的断裂机理，观察了裂纹的萌生与扩展过程。研究结果表明，电解加钛6009变形铝合金的断裂过程与一般塑性材料基本相同，局部应力集中和应变造成粗大的分散相和基体分离及缺陷是裂纹优先萌生的部位。裂纹的扩展主要是平行于滑移条纹扩展和沿晶扩展，当裂纹尖端有较大Mg2Si颗粒存在时，微裂纹会在Mg2Si／基体界面再形核而扩展，最终导致合金断裂。     

冲击荷载下对称裂纹动态扩展规律研究

为研究冲击荷载下岩石等脆性材料中对称裂纹的断裂机理,利用数字激光动焦散试验系统,对含不同倾角对称初始裂纹有机玻璃板试件进行了冲击试验,研究了裂纹倾角对对称裂 纹 动 态 断 裂 力 学 行 为 的 影 响,并 利 用 有 限 元 程 序ABAQUS对试验进行了模拟.试验研究结果表明:裂纹扩展轨迹受试件中初始裂纹倾角的影响,初始裂纹倾角为６０°和９０°时,裂纹 扩 展 表 现 为 相 互 排 斥,初 始 裂 纹 倾 角 为 １２０°和１５０°时,裂纹在扩展过程中逐渐汇聚;Ⅰ型应力强度因子的变化规律受初始裂纹倾角的影响,裂纹起裂时刻的应力强度因子随初始裂纹倾角的增大而减小;初始裂纹倾角会影响裂纹尖端应变能累积和释放的快慢,当初始裂纹倾角为９０°时,起裂难度最小,裂尖应变能释放较为平缓;当初始裂纹倾角为锐角和钝角时,起裂难度加大,应变能释放都较为迅速.数值模拟研究表明:初始裂纹对称轴上的最大主应力与裂纹尖端到该点的距离呈负相关,模拟所得裂纹扩展路径与试验结果相符.     

中间起爆柱状药包爆炸应力应变场演化规律

结合动态焦散线、超动态应变测试和数值分析方法,对中间起爆柱状药包爆炸材料中的应力应变场以及爆生裂纹尖端局部应力场的演化规律进行了研究。3种分析方法得到的结论具有一致性。由焦散线方法可得,中间位置起爆柱状药包中垂线方向、端部垂线方向、端部轴向和端部倾斜方向主应力差值依次减小,各方向近炮孔圆孔处主应力差最大值分别为50.9,29.9,15.3和13.3 MPa,端部效应明显。由于爆炸应力波迅速衰减,圆孔处主应力差值差异随距离炮孔距离的增加逐渐减小。利用小圆孔可有效的对裂纹影响大小和影响范围进行测量,当爆生裂纹扩展到圆孔附近时,受爆生裂纹尖端局部应力场的影响,圆孔处焦散斑呈增大趋势,随着裂纹的不断扩展,其圆孔处焦散斑方向随之不断变化。由超动态应变测试方法可得:炮孔柱部由于应力波的叠加,垂直炮孔方向应变持续时间为40 μs,主要表现为压应变,炮孔端部轴向应变持续时间为10 μs,首先表现为压应变,随后转为拉应变并持续了较长时间。数值模拟得到了炮孔周围4个方向应力衰减的拟合曲线,弥补了实验方法不能测得炮孔近区应力应变场演化规律的缺陷。中间起爆柱状药包显著改善了沿炮孔轴线爆炸应力场的均匀程度,有利于岩石的破碎,从而提高炮眼利用率,减少岩石大块率。     

预制裂隙细砂岩裂纹扩展 过程及宏观破坏模式单轴压缩试验研究

为研究裂隙的存在对岩体破坏模式的影响,本文对含有不同几何状态的裂隙细砂岩进行了单轴压缩试验,分析了单轴压缩条件下,岩桥倾角和岩桥宽度对裂隙细砂岩试样裂纹起裂、扩展过程以及破坏模式的影响;结果表明:从整体来看,在单轴压缩条件下,裂隙细砂岩试样的破坏模式主要有拉伸破坏、剪切破坏、拉剪组合破坏3种;随着岩桥宽度的增加,裂隙细砂岩试样裂纹发育的起始位置从1条裂隙的尖端转化为2条裂隙的尖端,裂隙细砂岩试样的破坏模式由剪切破坏模式经过拉剪组合破坏模式后向拉伸破坏模式过渡;随着岩桥倾角的增加,裂隙细砂岩试样裂纹发育的起始位置从2条裂隙的尖端转化为1条裂隙的尖端,裂隙细砂岩试样的破坏模式由拉剪破坏逐渐向剪切破坏过渡;裂纹的发育和扩展在应力-应变曲线上都有所体现,应力-应变曲线的每一次波动都对应裂纹的发育或扩展;试验结果为裂隙岩体工程提供了一定的指导意义。     

大尺寸煤岩组合体水力裂缝越界形成缝网机理及试验研究

为了实现煤层气资源高效开采,针对我国煤层气储层"高储、低渗、成缝困难"的赋存特征,通过对裂纹尖端能量释放率、裂纹尖端应力场屈服区域数值分析以及煤岩组合体越界压裂试验,对煤岩组合体水压致裂过程中缝网形成机理及裂纹扩展特征进行研究。结果表明:同等应力条件下,煤体裂纹尖端塑性屈服区域明显大于砂质泥岩;裂纹在砂质泥岩中起裂瞬间释放的应变能可在煤体中产生约10.69~25.53倍当量裂纹面积或长度,有利于裂缝的延伸及多裂缝结构形成;通过数值分析可知,在达到近似临界煤岩拉破坏值时,砂质泥岩裂缝尖端在XX方位的最大集中应力值(7.05×10~5)约为煤体(1.98×10~5)的3.56倍;裂纹从坚硬砂质泥岩到软煤扩展试验过程中,形成了明显的复杂缝网结构;水力裂缝从覆岩到煤扩展过程中,在煤岩界面影响下出现贯穿、转向或偏转等现象,裂纹的转向或偏转导致裂纹形态复杂,有利于缝网结构的形成。     

一次超载对矿用传动轴高应力区力学状态的影响

为了解一次超载对矿用含裂纹传动轴高应力区力学状态的影响,以KS-500型双链刮板输送机主动链轮组的传动轴为例,利用ABAQUS软件对一次超载作用下的传动轴进行有限元计算,分析了高应力区的残余应力应变场情况;并在此基础上,采用子模型技术详细分析了一次超载对裂纹尖端残余应力应变场的影响。研究结果为矿用重要轴类零件的结构完整性分析提供了一种新的方法。     

加锚断续节理岩体力学特性的研究及其应用

按应变等效假设及自洽理论建立了加锚断续节理岩体在复杂应力状态 本构关系及其损伤演化方程，并将其应用于三同道峡船闸高边坡稳定性分析中。重点分析了边坡节理尖端产和 生裂纹的可能性及演化长度和用锚固手段减少节理损伤演化区和边坡变形量的效果。     

不同节理间距条件下岩体双孔爆破动焦散试验研究

采用爆炸加载数字激光动态焦散线测试系统(DLDC),研究双孔同时起爆条件下3条平行预制裂纹的扩展行为及裂纹尖端应力强度因子的变化规律,分析预制裂纹间距对其扩展及断裂破坏的影响规律。研究结果表明:双孔同时起爆条件下,炮孔近端预制裂纹尖端应力强度因子均呈先增大后减小的趋势,表明爆炸荷载作用分为两个阶段:加载阶段和卸载阶段,其中卸载阶段裂纹尖端应力强度因子逐渐减小,但扩展速度较大,在爆炸过程中占主导地位;中间裂纹扩展效果明显的试样中,其尖端应力强度因子从峰值6.52×10~5N/mm~3/2逐渐减小,并且两组试样的中间预制裂纹尖端扩展方向不同,表明中间预制裂纹扩展属于卸载扩展,爆炸应力波对中间预制裂纹尖端扩展主要起导向作用,爆生气体在中间预制裂纹尖端扩展过程中占主导作用;中间预制裂纹尖端扩展效果受与其贯通的两条次生裂纹的垂直距离影响,距离越小,中间预制裂纹尖端扩展越充分。     

爆生气体在光面爆破中的作用

本论述了爆炸应力波、爆生气体准静态压力在爆破破裂过程中的作用，作认为，当应力波越过径向裂纹尖端后，爆生气体准静态压力在光面爆破破裂过程中的作用是主要的，运用有限单元法计算在爆生气体准静态压力作用下炮孔周边径向裂纹的应力强度因子K1，并绘出了径向裂纹尖端周围应力的分布情况，分析研究了渗入到径向裂纹中的爆生气体对径向裂纹扩展的影响，以及径向裂纹数量、长度、空孔、自由面对径向裂纹扩展的影响和长裂纹对短裂纹扩展的影响。所得结果可供分析光面爆破机理和进行光面爆破设计时参考。     

正入射爆炸应力波与运动裂纹作用的动态光弹性实验研究

采用动态光弹性实验方法,研究了正入射爆炸应力波对运动裂纹的作用效果。实验得到了运动裂纹与正入射爆炸应力波作用过程的光弹等差条纹变化图,分析了正入射爆炸应力波对运动裂纹尖端动态应力强度因子和裂纹扩展速度的影响效果,以及正入射爆炸应力波对运动裂纹扩展轨迹的影响。研究表明:正入射爆炸应力波对运动裂纹扩展方向没有明显影响,但对运动裂纹尖端动态应力强度因子和裂纹扩展速度有显著时间相关性的抑制和增强作用;当正入射爆炸应力波P波前端压缩脉冲相与运动裂纹相互作用时,裂纹扩展速度和裂纹尖端应力强度因子会受到抑制;当正入射爆炸应力波P波尾部拉伸脉冲相和S波与运动裂纹相互作用时,裂纹扩展速度和裂纹尖端应力强度因子则得到显著增强。     

裂纹几何配置对裂隙砂岩力学特性及破坏模式的影响

天然岩体常常包含不连续体，比如孔隙、裂隙、断裂以及其他缺陷等，这些缺陷的存在将导致岩体力学强度产生较大的劣化作用。为了研究不同裂纹几何配置对裂隙砂岩力学特性、裂纹扩展演化及断裂机制的影响，基于室内砂岩力学参数测试结果，借助颗粒流平行黏结模型对预制裂隙试样进行一系列的模拟研究。结果表明：当裂隙倾角恒定时，随着岩桥角度的增加，砂岩峰值应力与峰值应变呈现出先降低后增加的趋势；当岩桥角度恒定时，峰值应力与峰值应变随着裂隙倾角的增加而增加。初始裂纹从预制裂隙尖端萌生，起裂应力水平为 0.68σ _c；累积微裂纹数呈指数函数形式增加；试样破坏形式主要有拉伸破坏、剪切破坏及拉剪混合破坏；岩桥贯通模式主要有间接贯通和直接贯通两类。     

冲击载荷作用下含孔洞缺陷介质断裂行为研究

采用新型数字激光动态焦散线试验系统,对含孔洞缺陷和预制边裂纹的半圆盘试件进行了三点弯曲动态冲击实验。实验结果表明:在动态冲击载荷作用下,试件边裂纹处的应力集中程度较试件内部的孔洞缺陷处的应力集中程度更加显著;当孔洞位于裂纹前方时,孔洞对裂纹的扩展速度有抑制作用,且这种抑制作用随着孔洞与边裂纹尖端距离的增加有所减弱;当裂纹再次从孔洞处起裂时,裂纹的扩展速度和应力强度因子和裂纹与孔洞贯通前相比,均出现较大的上升,试件S1、S2中,裂纹扩展速度分别上升了1070%、138%,相应的裂纹尖端应力强度因子分别上升了61%、67%;裂纹的扩展速度与裂纹尖端的应力强度因子呈一定的正相关性,但受裂纹前方附近孔洞周围应力场的影响,裂纹尖端的应力强度因子有一定提高。     

裂隙岩石冻融循环下裂纹扩展特征研究

高寒山区工程岩体往往在水和温差作用下，受到往复的冻融荷载作用，导致岩体裂纹扩展甚至破坏。通过开展-20～20 ℃范围内4类含裂隙岩石冻融循环试验，分析了不同岩性裂纹扩展类型和原因、裂纹扩展随冻融循环增加的全过程，并讨论了20次冻融循环下灰岩和红砂岩的裂纹扩展机理。结果表明：含裂隙岩石裂纹扩展可分为3种类型：沿上部裂隙尖端贯通岩桥、沿上部裂隙尖端环向扩展和无明显裂纹破坏；板岩的水平板理导致裂纹沿环向扩展，灰岩局部发育的软弱面使裂纹反倾下部裂隙扩展，花岗岩高强度和低孔隙率的特征使其难以在此次试验条件下产生宏观裂纹。断裂力学分析揭示了灰岩和红砂岩呈Ⅰ型裂纹扩展的原因，表明初始裂纹扩展方向与上部裂隙走向近似，裂纹扩展长度与岩石抗拉强度和断裂韧度有关。