原岩应力对裂纹动态断裂行为的影响规律研究

深地岩体赋存于高原岩应力环境,常常受到动力扰动。为了研究原岩应力对裂纹动态断裂行为的影响,使用侧向加压设备赋予岩石初始应力以模拟原岩应力,利用中低速落锤冲击设备实施冲击实验。在冲击实验中使用裂纹扩展计(CPG)获取裂纹起裂时刻和裂纹扩展速度,同时使用AUTODYN有限差分法软件和ABAQUS有限元软件实施数值模拟研究。实验和数值模拟结果显示,垂直于裂纹面的原岩应力改变了裂纹起裂时间、裂纹扩展速度和裂纹扩展长度,但是对临界动态应力强度因子没有影响。垂直于裂纹面的原岩应力使得裂纹起裂时间出现滞后现象,并且原岩应力越大裂纹扩展速度越低,裂纹扩展长度越短。     

用SCDC试样测试岩石动态断裂韧度的新方法

利用大直径(?100 mm)分离式霍普金森压杆对大尺寸(150 mm×80 mm)压缩单裂纹圆孔板(SCDC)试样冲击加载,采用实验–数值–解析法测定了青砂岩的I型动态起裂韧度和动态扩展韧度。试样的起裂时刻和裂纹扩展速度由黏贴在裂尖附近的裂纹扩展计确定,通过对比发现,裂纹扩展计的准确性和灵敏性都比黏贴在同一试样对应位置的普通应变片更好。实验–数值–解析法根据实验数据获取试样两端的加载历程,利用有限元数值计算和普适函数的半解析修正,综合考虑材料惯性效应和裂纹扩展速度对动态应力强度因子的影响,较准静态方法更适于采用大尺寸试样确定岩石动态断裂韧度。实验–数值–解析法所确定的高加载率和高裂纹扩展速度下砂岩的动态断裂韧度值分别随动态加载率和裂纹扩展速度的提高而增加。最后,通过对SCDC试样裂纹扩展路径上应变片的断裂时间分析,确定了利用SCDC试样实现动态止裂的可能性。     

动载荷作用下含倒U型孔洞裂纹试件的动力损伤行为研究

裂纹群对隧道围岩的动力学特性影响机制复杂程度远大于单裂纹缺陷。为了研究裂纹群对隧道围岩破坏行为的影响机制,采用PMMA制备含倒U型孔洞裂纹模型试样模拟含裂纹缺陷围岩工况,利用落锤冲击试验机进行动态加载,分析遭受冲击载荷作用下裂纹群在围岩内的损伤演化规律,随后采用有限差分法软件进行数值分析,对比论证试验结果的科学性,及分析在冲击载荷作用下裂纹群对围岩应力状态的影响,结果表明:(1)裂纹群对裂纹的扩展速度有显著地促进作用,多裂纹试件的裂纹扩展速度是单裂纹试件的1.277倍,且多裂纹试件的裂纹起裂时间明显缩短;(2)相对于单裂纹缺陷试件而言,多裂纹试件的动态断裂韧度明显降低,为单裂纹的58.72%;(3)多裂纹试件内I/II复合裂纹的起裂明显易于纯I型裂纹,且动态断裂韧度与II型动态应力强度因子有很大关系。     

煤矿岩巷爆破掘进过程中周边眼对裂纹扩展止裂机理

周边眼在岩巷光面爆破中可以使巷道表面相对光滑完整,同时它对岩体内原生裂纹或爆生裂纹的扩展可能起到止裂的作用。为探究周边眼的止裂作用机理,针对爆破开挖过程中不同间距周边眼对原生裂纹扩展的止裂问题进行了实验及数值模拟研究。实验采用带中心装药孔、预制裂纹(原生裂纹)及两个简化周边眼的有机玻璃圆形试件,观测原生裂纹在周边孔止裂作用下的起裂-扩展-止裂效果。采用AUTODYN软件进行了数值模拟研究,岩石采用线性状态方程(EOS),强度模型为Elastic,失效准则为最大拉应力准则(MMTS),并在扩展路径附近设置观测点,以观测这些点的应力随周边眼间距变化的规律。通过实验及数值模拟结果分析得出:(1)在两周边眼间会产生与裂纹扩展方向垂直的压应力,对裂纹扩展的确能够起到止裂作用;(2)不同的周边眼间距,在周边眼间产生的压应力不同,导致不同的止裂效果;(3)周边眼间距越小,产生的压应力越大,对裂纹扩展的止裂效果越好。     

中低速冲击下I型裂纹的动态断裂韧度研究

起裂韧度和扩展韧度是分别用来判别裂纹起裂和扩展的两个重要材料参数，为了探索在中低速冲击荷载下岩石的起裂韧度和扩展韧度的测试方法，选择砂岩单裂纹半圆孔板试样以中低速落锤试验机进行了冲击，并利用裂纹扩展计和应变片测试裂纹的起裂时间及裂纹扩展速度。使用AUTODYN有限差分软件，裂纹软化模型及线性状态方程建立了相应的数值计算模型，结合实验-数值法确定预制裂纹的起裂韧度和扩展韧度，结果表明:动态冲击载荷下裂纹扩展速度不是一个常数;对于隆昌青砂岩，其动态扩展韧度与裂纹扩展速度成反比关系，扩展速度越大，扩展韧度越小;材料扩展韧度不是一个独立的材料参数，而是一个与裂纹扩展速度有关的参数。     

爆炸载荷下Ⅰ型裂纹的起裂及扩展规律研究

为了研究爆炸载荷作用下I型裂纹的断裂韧度参数及扩展规律,首次将裂纹扩展计(crack propagation gauge,CPG)和内部单裂纹圆盘(single internal crack circular disc,SICCD)试件引入到爆炸载荷下的韧度测试中。试验采用了大尺寸PMMA试件和示波器、超动态应变仪搭接的测试系统,并利用动态有限差分软件AUTODYN和有限元软件ABAQUS建立数值计算模型,通过试验–数值法得出I型裂纹的裂纹扩展速度、动态起裂韧度、扩展韧度及止裂韧度等断裂参数。试验结果表明:(1)预制裂纹在扩展过程中,扩展路径出现拐点时,会产生明显的止裂现象,当裂纹再次起裂时,速度会明显上升。(2)CPG能够更加精准地监测裂纹的扩展规律,结合试验–数值法能够很好地计算出裂纹的起裂韧度等动态参数,为爆炸试验断裂参数的获取提供了一种新型的测试方法。(3)初步的分析表明爆炸载荷下动态止裂韧度要大于动态起裂韧度和动态扩展韧度。     

不同积分路径对动态有限差分法计算精度的影响效应研究

动态有限差分法作为解决冲击动力学问题的有效方法而被广泛应用。但目前还鲜有学者给出该方法实现细节中的积分路径的形状和网格单元类型对计算结果影响效应的系统研究。针对这一问题,本文基于拉格朗日动态有限差分法求解框架,使用JAVA语言编写计算程序,模拟了应力波在长柱模型中的传播,利用理论解,对比了多种积分路径下模拟结果。然后模拟了应力波在无限大介质中的传播,从能量误差的角度,指出了四边形网格的沙漏效应缺陷。最后得出结论：对于常应力单元,由积分路径围成的控制体集合必须完全覆盖计算区域,才能得到正确的解。并且三角形网格能够避免四边形网格因为沙漏变形效应引起的能量误差而产生的计算错误。     

隧道周边不同位置径向裂纹对隧道围岩稳定性影响规律的研究

在爆炸载荷作用下,隧道周边会产生大量的径向裂隙,研究在双轴压缩荷载作用下不同位置处径向单裂纹直墙拱形隧道的破坏规律,分两种情况进行研究,一种是裂纹在隧道拱肩或拱顶部位,以拱顶半圆圆心为基点的径向裂纹;另一种是裂纹在隧道底板或边墙部位,其裂纹面与隧道底板、边墙成135°夹角。采用模型试验和数值模拟方法进行研究,模型试验采用水泥砂浆制作隧道模型,数值模拟计算隧道模型裂纹尖端应力强度因子和应力云图,模拟结果与试验结果对比较吻合。结果表明:1裂隙会降低隧道整体的稳定性以及抗压强度;2当裂纹在隧道拱肩或拱顶部位时,裂纹倾角θ=45°时,隧道的稳定性最差,最容易破坏;3当裂纹在隧道底板与边墙交界处时,隧道最容易破坏,整体稳定性最差。     

压缩载荷作用下分支裂纹断裂与扩展的数值和实验研究

材料中裂纹形态比较复杂,有弯曲,交叉或者分支等等,通过数值和实验的方法研究了在压缩载荷作用下分支裂纹的断裂问题,考虑分支裂纹倾角和长度对应力强度因子和裂纹扩展的影响。结果表明：裂纹倾角的增加使I型应力强度因子减小,而裂纹长度的增大使应力强度因子增大,长度较大的分支裂纹对长度较小的有一定的抑制作用。通过对张开型分支裂纹和弯折裂纹砂岩试件的单轴压缩试验,发现砂岩试件的破坏形式主要是以I型翼型裂纹扩展为主,其起裂位置距离裂纹尖端的距离随着分支裂纹角度的增大而减小;分支裂纹倾角越大,其翼型裂纹起裂角就越小但相应的起裂载荷却越大。还对张开型裂纹和闭合型裂纹做了一定的比较,发现张开型裂纹的起裂角要大于闭合型裂纹的起裂角,但其起裂载荷却正好相反。     

反求工程建模中基于CAD模型的修正技术

为了解决复杂外形产品反求工程(RE)建模经常遇到的零件CAD模型配合问题与尺寸精度、形状精度问题,提出按照测量数据建立基准零件的CAD模型和其他零件的CAD模型,并且从基准零件上取得相关配合面数据,对其他零件CAD模型进行修改的模型修正技术.