弯曲荷载下钢板贯穿开裂局部应力特征

通过建立弯曲荷载作用下的平板贯穿裂纹有限元模型,模拟实桥桥面板贯穿开裂时的受力状态,进行最不利情况下的应力分析。提取应力、应力强度因子与J积分,研究钢板贯穿开裂时沿裂纹表面与板厚方向的局部应力特征,求解开裂角,研究钢板厚度对裂纹应力特征及裂纹扩展的影响。结果表明:裂纹尖端应力集中与应力突变现象明显,裂纹尖端存在应力辐射区;裂纹面受拉区面积增大,裂纹扩展加速,裂纹以张开型裂纹为主,弯曲荷载下贯穿裂纹扩展存在开裂角;钢板厚度越小,裂纹尖端应力集中现象越明显,裂纹越易扩展。     

疲劳荷载特性对8.8级M24高强度螺栓疲劳裂纹扩展机理影响探析

为研究常幅疲劳荷载特性对高强度螺栓疲劳裂纹扩展的影响,针对钢结构端板连接用8.8级M24高强度螺栓在不同应力比/应力幅作用下常幅疲劳试验所得到的24个试件断口形貌进行定量分析,并采用ABAQUS软件数值模拟高强度螺栓应力集中情况,探讨含初始裂纹高强度螺栓裂纹尖端应力强度因子与荷载特性、预制裂纹形状之间的关系。结果表明：在轴向受拉疲劳荷载作用下,螺母与螺栓啮合第1圈螺纹处为疲劳断裂最不利位置;试件断口稳定扩展区面积与应力比/应力幅呈负相关,快速扩展区面积与应力比/应力幅呈正相关;裂纹尖端应力强度因子随应力比/应力幅的增大而增大;预制半椭圆形裂纹短/长轴之比（a/c）越大,应力强度因子扩展有限元（XFEM）解与解析解误差越大。     

基于数字图像处理的混凝土内蕴裂纹扩展变形规律及破裂过程研究

基于数字图像处理技术和RFPA2D-DIP软件建立了含不同裂纹几何分布的混凝土真实细观结构的数值模型,模拟了单轴压缩作用下混凝土内蕴裂纹的扩展变形规律及破裂过程,研究了裂纹几何分布及细观非均匀性对混凝土力学结构效应的影响。结果表明:随着裂纹倾角增大,试样的峰值强度升高,翼裂纹长度变短,裂纹萌生位置不断向预制裂纹尖端靠近;随着裂纹长度增加,试样的峰值强度降低,裂纹倾角对材料强度的影响显著;预制裂纹长度对材料的破坏模式有一定影响,骨料对翼裂纹的萌生及扩展具有一定的阻碍作用;当15°≤α≤45°时裂纹萌生及扩展较易,当裂纹倾角为60°和75°时,翼裂纹很难萌生及扩展,在靠近峰值应力时裂纹突然萌生扩展,最终形成劈裂破坏,研究结果对混凝土失稳破坏机理的研究具有一定参考意义。     

粗骨料粒径和硅灰对混凝土断裂性能影响的试验研究

应用双参数模型确定混凝土在不同粗骨料粒径和不同硅灰掺量时的临界应力强度子(K1c^s)和临界裂缝尖端张开位移(CTPDc)，同时利用特征长度l^ch研究粗骨料粒径和硅灰掺量对混凝土脆性的影响。文章也给出了相应的弹性模量、抗压强度以及抗拉强度。试验龄期为28天。试验结果表明，对于高强混凝土最大粗骨料粒径增大，弹性模量和抗压强度减小，而抗拉强度和临界应力强度因子以及材料的脆性增大；对于中等强度混凝土(MSC)，硅灰掺量为10％(硅灰／[硅灰 水泥])的混凝土(MSC-SF)的弹性模量、抗压强度、抗拉强度、临界应力强厦因子和脆性都大干不掺硅灰的MSC。     

层理方向对砂岩断裂模式及韧度的影响规律试验研究

为了探索具有层理面的砂岩断裂力学性质的各向异性,开展了具有不同层理方向的半圆形砂岩试样在不同切缝角度下的三点弯试验研究,揭示了层理方向对砂岩应力强度因子、断裂韧度及破裂模式的影响规律。试验结果表明试样破裂模式受层理面与荷载方向夹角θ控制:θ=0°时,沿层理面张裂破坏;θ=30°时,沿层理面剪切破坏;θ=45°,60°时,切层和沿层理面混合破裂;θ=90°时,切层破坏。不同层理角度的试样测得的断裂韧度差异较大,切缝角α=0°时,θ=90°试样断裂韧度最大,θ=0°试样断裂韧度最小,且KImax/KImin=2.36。运用有限元计算了各试样的无量纲化应力强度因子,结果表明切缝角α=0°时,无量纲化II型应力强度因子YII受层理面与荷载方向夹角θ影响显著:θ=0°,90°试样YII=0,呈现I型断裂;θ=45°,60°试样YII≠0,呈现出I-II复合型断裂;θ=30°试样YII最大,以II型断裂占主导,其余切缝角度下试样无量纲化I型应力强度因子与II型应力强度因子随层理角度θ的变化呈现不同的变化规律。通过扩展有限元XFEM计算出的试样起裂角、断裂韧度及断裂路径与试验结果吻合较好,结果表明各试样的起裂角随层理面与荷载方向夹角θ及切缝角α的变化呈现一定的各向异性。试验所得规律有助于更全面理解具有层理面岩石的断裂特性,并可作为对各向异性岩石断裂力学理论研究和数值计算的有益补充。     

基于扩展有限元法梁裂纹扩展有限元分析

基于ANSYS有限元平台的扩展有限元方法(XFEM),应用最大周向应力准则判断裂纹扩展趋势,对三点弯曲混凝土梁裂纹扩展过程进行数值模拟。构建了加载过程中荷载-裂纹张开位移曲线(F-CMOD),并模拟裂纹扩展全过程。对比数值模拟与实验所得的荷载-裂纹张开位移曲线,对比发现二者较为吻合,进一步证明数值模拟的可靠性。求解了不同加载时间的应力强度因子,并建立了应力强度因子随时间变化曲线,相比于其他求解方式,扩展有限元有着裂纹网格划分简单等优势。     

氯氧镁水泥钢筋混凝土通电锈蚀的断裂性能分析

为了得到氯氧镁水泥钢筋混凝土开裂时的临界锈胀力,基于断裂力学研究了氯氧镁水泥钢筋混凝土在通电锈蚀试验下的断裂性能.根据Glinka-Shen权函数法,利用已知参考荷载下的裂纹尖端应力强度因子,得到孔边单裂纹方形板的权函数;然后推导出孔边单裂纹方形板的裂纹尖端应力强度因子计算公式;最后,由混凝土断裂准则给出通电锈蚀下混凝土开裂时临界锈胀力的计算公式及变化规律.结果表明:随着裂纹长度的增加,裂纹尖端应力强度因子增加,临界锈胀力减小;随着钢筋直径的增加,裂纹尖端应力强度因子减小.     

基于有限元法的双边切槽根部裂纹应力强度因子研究

以裂纹区域和破坏结构的断裂参数(应力强度因子)作为判断裂纹是否进入失稳状态的主要依据,使用有限元软件ANSYS分别对不同尺寸的圆弧形和角形切槽根部裂纹问题进行分析,确定裂纹尖端应力强度因子的变化特征.分析结果表明:同一裂纹长度,角形切槽的应力强度因子大于圆弧形的,同时角形切槽裂纹尖端应力集中现象比圆弧形更严重;圆弧形切槽尖端的应力强度因子随着裂纹尺寸变化的速度比角形的快;裂纹长度在0～4 mm变化时,2种切槽应力强度因子有明显变化;当裂纹长度大于4 mm时,2种切槽应力强度因子随着裂纹长度变化的幅度逐渐减小,最终趋于平稳并重合.     

混凝土-环氧砂浆界面Ⅰ-Ⅱ型断裂性能试验研究

为研究混凝土强度和界面粗糙度对混凝土-环氧砂浆界面Ⅰ-Ⅱ型复合裂缝扩展和断裂性能的影响，对15个试件进行四点剪切试验，采用数字图像相关(DIC)技术获得试件表面位移场和应变场。基于线弹性断裂理论和试验测得的Ⅰ型裂缝起裂韧度，计算断裂能、变形系数和裂缝尖端Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子。研究结果表明：试件均沿着界面发生典型的准脆性破坏；通过提高混凝土强度可以显著增强界面的断裂性能，但对裂缝尖端处Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子比重的影响较小；试件断裂性能、裂缝尖端应力场和破坏角与界面粗糙度有较大的相关性，当灌砂平均深度■从0 mm增大到0.31 mm和0.97 mm时，断裂能G_u分别提高了16.1%和66.9%,变形系数N_u分别提高了5.4%和27.6%,Ⅰ型、Ⅱ型应力强度因子比值分别下降了11.96%和39.7%,破坏角分别增大了11.9%和37.8%。     

单裂纹岩石的力学行为

通过压缩实验,利用伺服单轴加载系统对含单裂纹岩石在压缩荷载下的破坏准则进行了研究,并利用ABAQUS模拟了单轴压缩荷载作用下的力学情况,计算了复合裂纹的应力强度因子。实验和数值结果表明当裂纹倾斜角为45°时KⅠ和KⅡ基本相等,当裂纹方向与荷载方向平行时,尖端应力的强度因子变化曲线将趋近于零。     

岩石不等长裂纹应力强度因子及起裂规律研究

天然岩体中含有数量众多的裂隙且绝大多数为不等长裂隙,而那些具有一定尺度和规模的主控裂隙对岩体稳定性起决定作用。为研究不等长裂纹相互作用规律及主控裂纹起裂规律,基于Kachanov法,推导了远场受力的两条拉剪不等长共线裂纹的尖端应力强度因子表达式并从理论上分析了裂纹间距对裂纹相互作用的影响;通过最大周向应力准则,计算了单轴受拉时不同裂纹倾角的主控裂纹起裂角,绘出理论断裂准则曲线;推算滑动裂纹的应力强度因子,对含不等长裂纹的类岩试件进行单轴压缩试验。结果表明:当裂纹间距大于等于小裂纹长度时,小裂纹对主控裂纹的起裂几乎无影响;主控裂纹起裂角只与裂纹角有关,单轴受拉时,起裂角随裂纹角增大而减小,单轴受压时,起裂角随裂纹角增大而增大;当裂纹倾角小于30°时,起裂临界荷载急剧增大。     

CFRP-OFBG板加固损伤钢梁抗弯疲劳试验及其寿命预测研究

为研究采用碳纤维增强复合材料(CFRP)加固后钢梁的疲劳性能,采用自主研发的具有自监测性能的智能碳纤维-光纤光栅板(CFRP-OFBG板)加固受损钢梁,在完成常幅荷载四点弯曲疲劳试验的基础上,研究不同应力幅作用下CFRP-OFBG板加固钢梁的疲劳性能。借助有限元方法,建立“三维实体”有限元模型,结合J积分计算方法求解得到加固钢梁裂纹尖端的应力强度因子,基于线弹性断裂力学理论建立疲劳裂纹扩展模型,对CFRP-OFBG板加固钢梁的疲劳裂纹扩展寿命进行预测。研究表明：CFRP-OFBG板的加固作用可有效提高受损钢梁的疲劳寿命,延缓裂纹扩展速率,改善裂纹尖端的受力状态,降低裂纹尖端的应力强度因子;在循环荷载作用下,CFRP-OFBG板加固试件的疲劳寿命均随着应力幅的增大呈现递减趋势。将试验结果与预测结果相比较,发现加固试件疲劳寿命预测值比试验值略高,分析认为,这主要是因为在有限元模拟时没有考虑到试验中CFRP-OFBG板的局部剥离。     

旋转梯度对平面裂纹的影响及其尺度效应

 将移动最小二乘无网格方法和弹性偶应力理论结合在一起,建立弹性偶应力理论的移动最小二乘无网格方法离散模型。首先研究偶应力理论下的小圆孔应力集中问题,确定该方法的基本参数,解决算法实施的关键技术。在此基础上,针对不同的特征长度,研究平面应力情况下中心I型裂纹尖端的强度因子和正应力分布、单边和双边I型裂纹尖端应力强度因子、最大剪应力以及复杂受力状态下中心斜裂纹初始扩展问题。与此同时,研究剪力和裂隙压力对尺度效应的影响。结果表明：偶应力对I型裂纹尖端的剪应力影响显著,对I型裂纹尖端正应力影响甚微;对平面斜置裂纹的弯折扩展有显著的影响,破裂角度、破裂步长、扩展载荷表现出显著的尺度效应;水平剪力明显加剧了尺度效应,裂隙压力对尺度效应的影响甚微。     

基于Aabqus的圆孔孔边裂纹的研究

采用Abaqus有限元分析软件计算有限元模型在不同几何参数条件下的应力强度因子。采用位错连续分布法的基本理论,计算得出了的孔边裂纹应力强度因子的解析解,并与数值模拟的结果对比分析。结果表明:应力强度因子的数值计算结果与理论解析解基本吻合,其数值大小随着有限元模型的几何参数不同而变化。随着裂纹与水平方向的夹角增加,圆孔孔边裂纹Ⅰ型应力强度因子呈现逐渐减小的趋势。而Ⅱ型应力强度因子则随着裂纹角度的增加呈线型比例增加。     

碳纤维复材加固开裂焊接十字接头疲劳性能研究

疲劳破坏是焊接钢桥在循环荷载下失效的常见形式,为了延长其寿命,需要对开裂结构进行加固修复。碳纤维复材(CFRP)由于优良的性能,广泛应用于混凝土结构加固中,而很少用于焊接钢结构。通过试验和有限元方法研究循环荷载作用下不同初始裂纹深度、CFRP布厚度和弹性模量对疲劳性能的影响。采用有限元软件ABAQUS分析加固和未加固焊接十字接头应力强度因子的变化规律,并与解析结果相比较。分析发现:未加固试件数值模拟解和理论解得到的应力强度因子误差很小,验证了数值模拟的准确性。当胶层分别采用CPE8和黏结单元(cohesive element)来模拟时,最大偏差为-3.4%。CFRP能够有效降低裂纹尖端处强度因子,延长其疲劳寿命,最大增幅达到67%。当CFRP布弹性模量和厚度越大,对裂纹尖端处应力强度因子的降低幅度越明显。基于Paris公式估算十字接头的剩余疲劳寿命,并将预测寿命与试验结果进行对比,发现吻合较好。     

基于新型流形法的三维应力强度因子求解

为保证在裂纹尖端具有最佳的逼近,裂纹尖端的解析解与其周边数值解联合应用的新型流形法可用来求解应力强度因子,但仅限于平面问题的Ⅰ型和Ⅱ型裂纹。沿用解析解与数值解联合应用的思路,以三维穿透直裂纹为研究对象,在裂纹尖端引入Williams解析解级数,应用解析覆盖与周边数值覆盖联合求解三维应力强度因子,相对于其他数值方法而言,计算精度高。推导相应的刚度矩阵和应变矩阵的表达式,通过典型算例验证了三维应力强度因子精确求解方法的有效性。     

含拱肩裂纹巷道的支护参数研究

采用Abaqus软件建立含拱肩裂纹巷道的有限元模型,计算了不同支护参数下裂纹尖端的应力强度因子,并对裂纹尖端的应力分布进行了数值模拟。研究结果表明:混凝土喷层厚度的选取对裂纹尖端应力的控制具有显著的影响,采用最优组合支护方案能使拱肩裂纹尖端的应力得到很好的控制效果。     

类岩石材料内置不规则裂纹形状因子分析

脆性岩体中内置裂纹的萌生、扩展和贯通将导致岩体失稳破裂。为研究脆性岩体中内置裂纹的断裂特性,首先,利用室内相似材料模拟试验,验证了1/4节点奇异单元建立的含圆形水平内置裂纹的圆柱体有限元数值模型的正确性与可靠性。其次,为了分析裂纹尖端弯曲程度和裂纹相对试件尺寸对内置裂纹断裂特性的影响作用,定义了相对曲率半径比t和相对尺寸比n,用于描述不规则水平内置裂纹的几何形态。然后,利用圆型和椭圆型内置裂纹数值模型,分别研究了t值与n值对裂纹形状因子的影响规律。在此基础上,综合考虑二者的影响作用,得出了一种适用于计算任意凸曲线型水平内置裂纹形状因子的简易表达式。同时,对该表达式可靠性进行了验证,结果表明,对于圆型、椭圆型、不规则型裂纹,该式计算结果与数值计算结果的误差均小于2%。同时得出,在与极轴夹角约为60°和300°处,文中所述不规则裂纹尖端的应力强度因子值最大,裂纹将率先由此处扩展。研究结果可以为工程或实验中估算内置裂纹岩体的应力强度因子提供参考。     

裂隙岩体锚固止裂的数值模拟研究

 压剪应力作用的裂隙岩体其裂纹尖端附近将产生较大的塑性屈服区，从应变角度出发研究裂纹的扩展路径，应用等效应变与降温法施加锚索的预应力，依据裂纹最短塑性区距离判据对不同倾角裂纹的锚固止裂机制进行有限元模拟，比较有无预应力锚固条件下不同倾角裂纹尖端的强度因子与应变变化及裂纹面上下中节点的位移错动规律。研究结果表明：当裂纹倾角为30°～60°时，预应力锚索对岩体的加固作用明显；裂纹倾角为45°时，预应力锚索锚固影响作用最明显，此时裂纹尖端的应力、应变集中现象得到削弱，裂纹尖端附近的塑性应变梯度减小；裂纹倾角为0°，90°时，裂纹尖端的最小塑性区距离值比相应的未锚固条件下的值大，裂隙岩体预应力锚索锚固时对岩体的压缩效应远大于其剪切效应。     

影响混凝土断裂性能若干因素的试验研究

采用RILEM推荐的双参数：临界应力强度因子(KIC^S)和临界裂缝尖端张开位移(CTODC),同时还采用了特征长度lch研究了不同粗骨料粒径、不同硅灰掺量以及不同养护条件下这3个因素对混凝土断裂特性的影响。试验结果表明,粗骨料粒径增大,高强混凝土的抗压强度、弹性模量、劈拉强度和临界应力强度因子增大,脆性减小;标准养护时间越长,高强混凝土的抗压强度、弹性模量、劈拉强度以及临界应力强度因子的值越大,混凝土的脆性越小;掺加硅灰提高了混凝土的抗压强度、弹性模量、劈拉强度和临界应力强度因子,但却增大了混凝土的脆性。