含多裂隙煤体裂纹细观演化规律与相互作用机制

煤体中裂隙具有随机分布的特点，其位置分布及载荷作用下相互作用影响着煤体的稳定性.因此，为阐明煤体内多裂隙扩展演化规律及相互作用机制，文中开展了含随机三裂隙煤样的单轴压缩试验，借助数字图像相关法(Digital Image Correlation, DIC)监测试样变形过程，并采用数值模拟基于细观角度验证了裂纹的孕育、扩展及贯通的演化过程.另外，基于经典Kachanov法和应力场分析法推导并验证了单轴受压状态下有限板三裂隙尖端的应力强度因子表达式.研究结果表明:裂纹间相互作用对尖端应力强度因子影响可分划为增大、减小、无影响3种形式，根据推导所得有限板多裂隙尖端的应力强度因子表达式，可计算裂隙随机分布裂隙尖端应力水平，并且，可结合应变能密度因子准则准确预测裂隙尖端起裂位置；裂隙位置分布对初始应变场形成局部高应变区具有明显的导向作用，具体表现为：试样受载初期率先在各裂隙尖端产生损伤并逐步演化为局部高应变区，经扩展后形成高应变集中带，继而作为宏观裂纹相应的扩展路径；试样破坏形式为拉剪复合破坏，新生裂纹在加载初期以剪切形式出现，并在裂隙尖端形成翼型裂纹，随载荷继续施加，张拉裂纹数量快速增长，最终...     

基于应力梯度的Ⅰ型中心裂纹应力强度因子修正方法分析

基于无限大板Ⅰ型中心裂纹尖端附近非均匀应力分布规律，提出一种考虑应力梯度影响的应力强度因子计算方法。首先，利用校正的Westergaard应力函数求解单向拉伸Ⅰ型裂纹尖端附近应力场，分析其对裂纹扩展的作用，采用应力与距离分离形式，更加凸显因距离r值的大小而引起应力发生变化的本质原因；其次，提出应力系数函数用以表征应力场的变化，考虑当相对应力系数梯度函数值变化1%时，应力梯度变化对裂纹的扩展无影响，并定义为特征距离r_eff,以此范围内平均应力去修正应力强度因子K;最后，以20Cr钢为研究对象验证本文方法的正确性和可行性，结果表明：本文计算方法得到的应力强度因子为经典断裂学方法的1.22倍，主要原因是考虑了应力梯度的影响，裂纹尖端附近实际承受的应力增大，应力强度因子增大。     

无限介质中矩形裂纹相互作用分析

为评估含矩形面裂纹的无限介质的局部强度和稳定性,分析了在沿裂纹面正向和切向分布载荷作用下矩形裂纹的应力强度因子及两个共面或平行的矩形裂纹相互作用问题. 基于一类不含强奇异性面力边界积分方程, 采用边界单元技术给出了含裂纹介质的三维静力分析数值方法. 采用该数值方法考察了应力强度因子随矩形裂纹长宽比的变化情况,以及共面和平行矩形裂纹间距对应力强度因子值的影响. 结果表明,当裂纹间距减小时,共面裂纹的应力强度因子增大,而平行裂纹的主要应力强度因子则变小,表现出了不同的相互作用效应;当裂纹间距较大时,两裂纹间的相互作用效应基本消失     

有限平板共线裂纹断裂过程的数值模拟和实验研究

采用有限元数值模拟和光弹实验方法分析了各向同性材料共线多裂纹应力场及其强度参量.建立了有限弹性平板内三条共线裂纹计算模型,应用ABAQUS软件的VCCT方法分析计算各向同性材料共线裂纹的裂纹尖端的应力场、应变场分布规律及应力强度因子.并通过光弹实验实测了6061铝板共线裂纹试件的裂纹尖端的应力强度因子.研究结果表明,实验和数值模拟所得的应力云图相似,应力强度因子值基本一致,验证了提出的应力强度因子计算模型的有效性.     

有限加筋板边界效应对应力强度因子的影响

分析了合裂纹损伤的有限加筋板边界效应对裂纹尖端应力强度因子的影响，得到裂纹尖端应力强度因子随结构尺寸及边界条件的变化规律。结果表明，随着有限加筋板高宽比和筋、板相对刚度的增大，结构应力强度因子的下降幅度逐渐增大。当裂纹尖端离筋条越近时，这种现象越明显。     

沥青路面多裂纹温度应力的数值模拟

本文考虑了沥青混合料的粘弹性,基于断裂力学理论,通过有限元数值模拟研究了含多裂纹沥青路面在温度荷载作用下的响应,考察了裂纹间距变化对应力强度因子以及温度应力的影响,结果表明:随着温度降低,基底裂缝的I型应力强度因子逐渐增大;随着裂纹间距的增大,基底裂纹先增大后减小并趋于稳定,表面裂纹尖端的最大压应力亦呈现先增大后减小的趋势,同时对加铺土工布这一阻裂措施利用数值模拟进行了验证.     

塑性区阻止效应对三维裂纹应力强度因子的影响研究

在应用片条合成法计算三维裂纹尖端应力强度因子基础上，推导了在小范围屈服情况下考虑塑性区影响时三维裂纹尖端应力强度因子的求解公式，讨论了塑性区大小对裂尖应力强度因子的影响，其中重点考虑了塑性区对裂纹发展的阻止效应。通过对结果进行分析和讨论，给出可供工程应用参考的依据。计算结果表明，在考虑了塑性区对裂纹发展的阻止效应后，大多数情况下塑性区修正使应力强度因子比未考虑塑性区修正的应力强度因子要小7％～30％。     

压缩荷载下三条对称的共线裂纹应力强度因子的解析解(研究生论坛）

多裂纹问题已成为当前岩石力学及其相关领域的研究热点问题。对无限平面内3条对称的共线裂纹在双向压缩载荷下的应力强度因子进行了研究,考虑了裂纹表面摩擦力的影响及裂纹间的相互影响,并利用复变函数理论给出了其裂纹应力强度因子的精确解析解。通过数值计算,给出了侧压力以及裂纹间距对应力强度因子的影响规律,并进行了相应的光弹实验研究,其实验结果定性地验证了理论解的正确性。结果表明,裂纹应力强度因子都随着侧压力的增大而减小,随着裂纹间距的减小而增大。     

考虑偶应力影响的有限大板单边裂纹计算

裂纹尖端存在很大的应变梯度,应变梯度效应对裂纹尖端附近的应力场和微尺度下的断裂行为产生显著影响。本文采用基于偶应力理论的无网格迦辽金法计算有限大板单边裂纹尖端的应力场和应力强度因子,分析了偶应力对裂纹尖端的影响。计算结果表明基于偶应力理论的无网格法的有效性和可行性。     

考虑偶应力影响的有限大板单边裂纹计算

裂纹尖端存在很大的应变梯度,应变梯度效应对裂纹尖端附近的应力场和微尺度下的断裂行为产生显著影响.本文采用基于偶应力理论的无网格迦辽金法计算有限大板单边裂纹尖端的应力场和应力强度因子,分析了偶应力对裂纹尖端的影响.计算结果表明基于偶应力理论的无网格法的有效性和可行性.     

Ⅰ-Ⅱ型裂纹发展的剪应力准则研究

将Ⅰ-Ⅱ型裂纹表面的剪应力引入裂尖应力强度因子的计算,获得了含中心闭合裂纹在不同裂纹长度、倾角以及摩擦系数下裂纹尖端的应力强度因子值。引入等径向剪应力线τrθ这一概念,在预测裂纹发生临界扩展时提出以下两个假设：闭合裂纹将沿着等τrθ线上双剪应力和最小的方向扩展;裂纹尖端的应力强度因子KⅡ达到材料的临界值KⅡc,裂纹将开始扩展;建立了Ⅰ-Ⅱ型闭合裂纹的剪应力准则。利用所建立的断裂判据计算求得的临界起裂角鼠与各种经典复合型断裂准则计算裂纹起裂角的结果较为接近,将其应用于Ⅰ-Ⅱ型裂纹的断裂判定是安全的。     

桥式起重机桥架疲劳裂纹扩展的数值分析

采用有限元方法,计算某桥式起重机桥架的最大主应力分布,通过应力状态判断桥架某处裂纹的主要断裂类型,并利用扩展有限元方法（XFEM）,计算桥架在最大载荷和最小载荷两种状态下不同裂纹长度时裂纹的尖端应力强度因子（SIF）,由此根据Paris疲劳裂纹扩展公式的基本理论,描述该处疲劳裂纹扩展的基本规律,建立裂纹长度与交变应力循环周期数的函数关系,对起重机桥架裂纹短期内快速扩展的原因给出量化分析。结果表明,低应力的循环作用是该处裂纹形成和快速扩展的原因。     

含裂隙水预制平面裂隙的启裂理论与试验验证

为研究含裂隙水预制平面裂隙的启裂特性,分别对裂隙张开和闭合两种情况进行理论分析和试验验证。详细阐述裂隙尖端应力强度因子和张开型裂隙启裂角度和启裂强度的理论计算方法,并给出压缩条件下闭合裂隙的起裂强度公式。制作了预制有张开型贯穿裂隙的水泥砂浆试件,进行双轴压缩试验。通过试验对比分析探讨裂隙尖端应力强度因子与裂隙启裂角度随裂隙倾角、水压力和裂隙尖端曲率半径的变化规律,以及裂隙启裂强度与水压力和侧压的关系。结果表明:含水压张开型裂隙Ι型应力强度因子随裂隙倾角的增加而增加,在裂隙倾角为75°时最容易发生Ι型(扩展型)裂纹,随水压力和裂隙尖端曲率半径的增加而减小。剪切型裂隙ΙΙ型应力强度因子随裂隙倾角呈对称分布,在裂隙倾角为45°处取得最大值,与水压力和裂隙尖端曲率半径无关。张开型裂隙的启裂角度随着裂隙倾角、水压力和裂隙尖端曲率半径的增加而减小;启裂强度与水压力成反比,与侧压成正比。本研究结果可为岩土工程中渗透水压作用下裂隙的启裂扩展研究提供参考。     

受内压作用的管道表面斜裂纹尖端应力强度因子分析

裂纹是压力管道最危险的一种缺陷,是导致压力管道各种事故的主要原因。因此,依据断裂力学的相关概念,运用ANSYS有限元软件,建立了受内压作用的压力管道及其表面具有不同周向夹角的斜裂纹的三维模型,并对裂纹尖端的应力强度因子进行有限元计算及分析,得出了裂纹的应力强度因子随裂纹角度的变化而变化的规律。定量分析了裂纹尖端应力场的强弱,为压力管道表面斜裂纹的研究提供了一定的数据支持。     

含裂隙水预制平面裂隙的启裂理论与试验验证

为研究含裂隙水预制平面裂隙的启裂特性,分别对裂隙张开和闭合两种情况进行理论分析和试验验证。详细阐述裂隙尖端应力强度因子和张开型裂隙启裂角度和启裂强度的理论计算方法,并给出压缩条件下闭合裂隙的起裂强度公式。制作了预制有张开型贯穿裂隙的水泥砂浆试件,进行双轴压缩试验。通过试验对比分析探讨裂隙尖端应力强度因子与裂隙启裂角度随裂隙倾角、水压力和裂隙尖端曲率半径的变化规律,以及裂隙启裂强度与水压力和侧压的关系。结果表明:含水压张开型裂隙Ι型应力强度因子随裂隙倾角的增加而增加,在裂隙倾角为75°时最容易发生Ι型(扩展型)裂纹,随水压力和裂隙尖端曲率半径的增加而减小。剪切型裂隙ΙΙ型应力强度因子随裂隙倾角呈对称分布,在裂隙倾角为45°处取得最大值,与水压力和裂隙尖端曲率半径无关。张开型裂隙的启裂角度随着裂隙倾角、水压力和裂隙尖端曲率半径的增加而减小;启裂强度与水压力成反比,与侧压成正比。本研究结果可为岩土工程中渗透水压作用下裂隙的启裂扩展研究提供参考。     

Caustic study on blast-induced wing crack behaviors in dynamic–static superimposed stress field

This paper studies blast-induced wing crack behavior in a dynamic–static superimposed stress field using high-speed photography in combination with the optical method of caustics. With a static–dynamic loading setup, four PMMA plate specimens with pre-existing cracks under different static loading and the same dynamic loading were tested to observe the mechanical characteristics and the kinematic characteristics of blast-induced wing cracks during the propagation process, including crack length, crack velocity and dynamic stress intensity factor (SIF) at the crack tip. The results show that the behavior of the blast-induced wing crack is affected by the explosion stress wave and initial static stress, and the initial static stress with the direction being perpendicular to the wing crack propagation direction hinders crack propagation. Furthermore, the boundary constraint condition of the specimen plays an important role on the behavior of the crack propagation in the experiment.     

节理介质中爆炸裂纹扩展的细观行为研究

利用爆炸加载动焦散测试系统 ,进行了有机玻璃材料的透射式动焦散模型试验 ,对含人工节理的材料中爆生裂纹扩展的细观行为进行了研究 ,获得了爆生裂纹扩展穿过节理的一般规律 .试验表明 ,爆生裂纹穿过节理时 ,并不是直接沿原方向 ,而是偏离一段距离后继续扩展 ,爆生裂纹的扩展与切缝和节理的夹角以及炮孔与节理间的距离有直接关系 .对穿过节理前后爆生裂纹尖端应力强度因子的定量分析结果表明 ,由于节理的影响 ,应力强度因子存在 2个峰值点     

水力耦合作用下裂纹扩展演化机理的试验和颗粒流分析

在地应力不断变化的过程中,裂隙水压力的作用机理会变得十分复杂,为阐述裂隙水压力对裂纹扩展规律的影响,基于离散元理论和室内试验,研究了含单裂隙的水泥砂浆试件在单轴压缩和内水压共同作用下的裂纹演化机理。结合岩石颗粒低渗透性的特点,修正了流体与颗粒之间相互作用的计算法则,并改进了流体域参数的计算方法,提出了一种更加适用于脆性岩石的流固耦合模型。研究结果表明：当裂隙倾角为450,内水压为1MPa时,翼裂纹在初始萌生阶段时会沿着最大应力降方向扩展,其扩展方向基本与裂隙平面垂直,并在扩展的过程中使裂纹尖端附近的拉应力消散。试样轴向应力达到峰值后,次生裂纹大量萌生,微裂纹数目随轴向应变增加呈指数关系增长,同时预制裂隙尖端的压应力场得到释放。与传统水压致裂机理不同,水压力并不会沿着萌生的新裂纹一直扩散,在恒定内水压作用下,由于裂隙尖端一直存在部分压应力场,水压力只会沿着翼裂纹扩散,并没有扩散到已经贯通的次生裂纹中。在轴向应力不断变化的情况下,颗粒之间的孔径处于动态变化之中,反过来对水压力的变化规律产生影响,从而形成了3种不同类型的水压变化规律,类型Ⅰ：水压力随轴向应变增加至峰值后迅速下降,但下降幅度不大,之后水压会随轴向应变增加而上升;类型Ⅱ：水压力随轴向应变增加一直增加;类型Ⅲ：水压力随轴向应变增加至峰值后迅速跌落至0MPa,水压力最终消散。     

基于FE/EFG耦合算法的虚拟裂纹闭合法

在裂纹附近区域采用无网格伽辽金(EFG)节点,其余区域采用常规有限单元(FE)节点进行数值离散并求解,获得含裂纹构件的位移场。在裂纹尖端及其附近设置局部辅助有限单元区域,用于求解裂纹尖端处的2个特征参数:裂纹尖端节点力以及靠近裂纹尖端处裂纹面的位移。由这2个参数得到裂纹尖端处的应变能释放率,进而求得相应的应力强度因子,此方法为计算应力强度因子的EFG虚拟裂纹闭合法。数值算例表明,采用EFG虚拟裂纹闭合法能够有效计算裂纹尖端处的应力强度因子。