Experimental and theoretical study of static-dynamic mixed mode brittle fracture of rock

Ｖａｒｉｏｕｓｍｏｄｅ－Ⅰｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｌｉｎｅａｒｅｌａｓｔｉｃｆｒａｃｔｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｃｓａｒｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｎｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｃｏｎｓｔａｎｔｓ．Ｔｏａｎａｌｙｓｅ...     

I-II-III复合型裂缝应力强度因子与能量释放率的关系

基于断裂力学理论,应用复合型断裂判据中的最大周向应力判据和最大拉应变判据,以单一型裂缝应力强度因子K与能量释放率G的关系为基础,推导出I-II-III复合型裂缝应力强度因子K_I、K_II、K_III与能量释放率G_I-II-III关系公式;并应用有限元软件进行I-II-III复合型裂缝的有限元模拟,模拟值与理论值之间相差为1.14%,拟合良好,分析验证了复合型裂缝应力强度因子K_I、K_II、K_III与能量释放率G_I-II-III关系公式的合理性。     

复合型裂纹的混合开裂准则

利用两个基本假设：１裂纹启裂方向为裂尖距其近旁等应变能密度线最近的方向;２当裂尖近旁材料的有效应力达到Ｉ型裂纹的临界拉应力时即发生启裂;由此给出了复合型裂纹的应力和能量混合型断裂判据。对临界断裂,准则还计入了尖端损伤区的影响。与实验结果对比证明了混合型断裂准则的有效性。     

裂纹起裂角预测方法研究

本文提出一个新的屈服准则,该屈服准则适用于岩石类材料的小范围屈服,旨在预测弹塑性材料的破坏行为,基于该屈服准则,推导出了I型,II型以及I-II混合型裂纹尖端塑性区半径并对在单轴拉伸和纯剪切等荷载作用下的裂纹尖端塑性区进行了分析。结果显示,荷载加载方式、裂纹倾斜角和材料内摩擦角对塑性区的形状与大小有显著影响。根据对裂纹尖端塑性区的分析,基于如下假设：裂纹沿塑性区最短路径扩展,本文在提出的屈服准则的基础上导出了新的断裂准则,该准则可预测裂纹开裂初始角。相较于其他断裂准则,文献实验结果与本文提出的准则吻合地更好,能更加精确的预测裂纹的起裂角。     

混凝土材料裂纹尖端应力场的研究

为了准确地预测混凝土类材料复合断裂韧度及裂纹扩展路径,提出了结合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判据采用双参数模型(应力强度因子K和T应力)来描述混凝土断裂行为。在对三相材料混凝土断裂进行理论计算时,通过应用westergard应力函数,并利用级数展开求解了裂纹尖端的T应力和应力强度因子。计算结果表明,内聚物的性质和T应力能影响断裂韧度及裂纹尖端的应力,这为模拟混凝土断裂提供了依据。     

岩石压剪断裂及其强度特性分析

籍助于断裂力学的理论和有限元数值计算方法，分析了压剪断裂过程中裂纹尖端应力场的演变规律；修正了应力强度因子的有关计算式，建立了表征初裂的新的断裂准则；反映了裂纹几何尺寸、分布规律、裂纹面物理力学性质、岩石材料断裂韧度，以及围压效应对岩石压剪断裂的影响．     

基于XFEM的混凝土三点弯曲梁开裂数值模拟研究

扩展有限元法通过在相关节点的影响域上富集非连续位移模式,使对非连续位移场的表征独立于单元边界.采用扩展有限元法对单边切口混凝土三点弯曲梁进行数值模拟,混凝土采用最大主拉应力牵引损伤开裂准则和线性软化损伤模型,并将结果与试验进行对比,验证模型有效性.结果表明,扩展有限元法模拟值与试验值在起裂韧度、失稳韧度等方面存在差异,但总体相差不大.分析认为存在的差异主要是由于混凝土梁自重、支座摩擦力等原因造成,扩展有限元可有效模拟混凝土梁在含有初始裂缝情况下从加载到失稳破坏的全过程,获得裂纹萌生、扩展的过程及破坏形态.     

用脆性材料进行水工结构的断裂破坏模型试验

模型材料石膏具有与混凝土相似的断裂力学特性。混凝土和石膏两者在复合型荷载下的试验数值与最大拉应力判据曲线颇为吻合,并且它们的断裂韧度是它们的抗拉强度的线性函数。二维石膏块体断裂破坏模拟试验结果与有限元计算十分相近,从而模型试验为解决水工结构断裂问题提供了途径。     

复合型裂纹疲劳扩展的新准则

把最近提出的及计材料拉压屈服强度不同对材料断裂影响的复合型裂纹断裂准则扩充到疲劳裂纹扩展的情况，建立了一个新的复合型裂纹疲劳扩展准则，进而将位移不连续法(一种边界元方法)和本文提出的复合型裂纹疲劳扩展准则结合在一起，用于数值模拟复合型裂纹疲劳扩展过程．对中心斜裂纹板的疲劳扩展的数值模拟结果揭示了材料拉压屈服强度不同对复合型裂纹疲劳扩展的影响。     

裸眼完井下的大位移井裂缝起裂研究

随着大位移井数量的增加，大位移井压裂逐渐成为油气藏的一种重要增产技术手段，大位移井水力压裂裂缝起裂与直井，普通定向井有显差别，其起裂模式不仅与井眼轨迹（井斜角，方位角等）有关，而且还与地应力方位密切相关，以往的斜井裂缝起裂模式已经不能满足大位移井压裂设计的需要。考虑作业条件，压裂液渗滤效应和孔隙压力的影响，建立了大位移井井筒周围应力场分布模型，提出了裂缝起裂压力和起到方位预测模型，并分析了不同构造应力范围对大位移井压裂裂缝起裂的影响，计算结果表明，建立的模型完全适用于大位移井压裂设计的需要。     

复合型屈服区面积断裂准则

本文利用Mises屈服条件确定的弹塑性边界线,提出了复合型屈服区面积断裂准则。本准则计算值与实验结果相比基本吻合。     

复合型断裂等W线体积应变能准则

本文利用裂纹尖端附近等应变能密度线,建立了复合型断裂等W线体积应变能准则,本准则与实验数据基本吻合。     

尖Ⅴ形切口的脆性断裂准则

利用Ⅴ形切口尖端附近的线弹性奇异应力场,建立了单奇异性Ⅴ形切口的脆性断裂准则,并用脆性材料有机玻璃PMMA加工单边对称Ⅴ形切口试样,进行拉伸破坏实验,对Ⅰ型Ⅴ形切口临界应力的理论预测值和实验结果进行了比较.结果表明所给出的单奇异性Ⅴ形切口的脆性断裂准则有效、简单且便于工程应用.     

圆柱壳周期阵列压痕应力强度因子

当柱壳平端刚性压头作用在同形的弹性基体表面时,在基体上生成一个平面压痕,同时在压痕边界处的近表面诱生奇异应力场,该奇异应力场的奇异性与裂纹尖端I-型应力场的奇异性同价,使平面压痕的表面产生断裂型开裂。利用当量裂纹法给出圆柱壳周期阵列压痕的应力强度因子。     

Modified Mohr-Coulomb strength criterion considering rock mass intrinsic material strength factorization

With the increase of mining depth of mineral resources,the rock mass stress state is being more and more complex.The rock mass show different features,namely,with the increase of hydrostatic pressure,rock mass failure mode turns from brittle tension failure to structure ductile failure and its limit strength also increases.The restriction of minimal principal stress on the initiation and development of microcrack and the change of micro-unit stress state by the intermediate principal stress play a decisive role in the increase of rock mass limit strength.Based on the rock mass failure behavior law under complex stress state and theσ2-dependence on the rock mass strength,we proposed a Modified Mohr-Coulomb(M-MC)strength criterion which is smooth and convex.Finally,the M-MC criterion is validated by multiaxial test data of eight kinds of rock mass.We also compared the fitting results with Mohr-Coulomb criterion(MC).It shows that the new criterion fits the test data better than the Mohr-Coulomb criterion.So the M-MC strength criterion well reveals the rock mass bearing behavior and can be widely used in the rock mass strength analysis.The results can provide theoretical foundations for stability analysis and reinforcement design of complex underground engineering.     

韧性断裂准则参数标定及其在DP590中的应用

为研究DP590高强钢板材的韧性断裂力学性能,以DF2012韧性断裂准则为理论基础,设计6种包含不同应力状态的拉伸试样来获取材料的塑性流动和断裂参数,采用一种实验-模拟混合方法标定韧性断裂准则的参数.准确地描述材料发生断裂前的塑性行为是韧性断裂准则参数标定的关键,以新提出的各向异性Drucker屈服准则和一种修正的Voce硬化准则表征DP590的塑性行为,使用Fortran语言将该本构模型编译为VUMAT子程序嵌入ABAQUS仿真软件中进行试样的拉伸模拟.实验和模拟对比表明,所构建的本构模型可以准确地预测不同试样沿着轧制方向各个角度的力程曲线.在拉伸实验和标定的本构模型基础上,标定DF2012韧性断裂准则的参数并构建DP590在应力三轴度和断裂应变二维空间中的断裂轨迹.与3种经典的韧性断裂准则Cockcroft-Latham、Clift和Rice-Tracey进行比较,使用Fortran语言将DF2012韧性断裂准则和本构模型一起嵌入ABAQUS仿真软件对不同试样的断裂进行模拟,结果表明:基于实验-模拟混合法标定的DF2012韧性断裂准则能够合理地构建DP590的断裂轨迹曲线和准确地预测不同应力状态下拉伸试样断裂的发生.     

镍基单晶合金板裂纹尖端塑性区分析

裂纹尖端塑性区对研究裂纹开裂扩展具有重要意义.应用Hill屈服准则和考虑拉-剪耦合的修正Hill屈服准则,对镍基单晶合金板裂纹尖端塑性区进行了分析.得到了Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅰ、Ⅱ复合型裂纹尖端塑性区.对镍基单晶合金板内裂纹尖端塑性区与各向同性材料板内裂纹尖端塑性区进行了比较.讨论了拉-剪耦合、Ⅰ、Ⅱ复合型裂纹复合比及温度对裂...     

岩石、混凝土类材料复合裂纹断裂准则的探讨

本文对岩石与混凝土类脆性材料的强度和断裂机理进行了简要分析。在最大分离位移(MAXSD)屈服准则的基础上,建立了三维复合型裂纹的断裂准则。并与混凝土材料的三维复合裂纹和Ⅰ、Ⅱ型复合裂纹的断裂试验结果进行了比较。     

长期热老化对铸造奥氏体不锈钢断裂韧性的影响

为了研究热老化对铸造奥氏体不锈钢断裂韧性的影响及其微观机理,按照ASTME1820-05a等实验标准,采用标准C（T）试样对Z3CN20.09M铸造奥氏体不锈钢进行了热老化断裂韧性测量.结果表明：Z3CN20.09M铸造奥氏体不锈钢的断裂韧性随热老化时间的增加呈现下降趋势;通过SEM观察断口发现,断裂机制由原始态的微孔聚集型断裂转变为解理断裂和微孔聚集断裂的混合断裂;断裂韧性J值与热老化时间t满足幂指数关系.对该材料制造的主管道的热老化断裂韧性做出外推预测.     

Use of double edge-cracked Brazilian disk geometry for compression-shear fracture investigation of rock

A new specimen geometry-the double edge-cracked Brazilian disk and a relevant fracture analysis by weight function method are proposed for the investigation of rock fracture caused by compression-shear loading. Not only can the mixed mode fracture with any ratio of KI /KII be achieved, but also the pure mode n crack extension can be obtained. The combined mode fracture analysis for this geometry shows that diametral compression in the far-field can induce a compression-shear stress state in the singular stress field ahead of crack tips. Experimental investigations conducted on marble specimens show that the pure mode [I crack extension can be obtained when the dimen-sionless crack length a>0. 7 and the inclined crack angle 5°≤ψ≤40°. Normalized mode I and mode II stress intensity factors decrease from -0. 45 and 2. 47 at ψ= 5° to - 1. 65 and 1. 52 at ψ=40°, respectively. The strains at three points of specimen are also measured in order to investigate the influence of stress singularity on initi