微小疲劳裂纹的闭合现象及疲劳强度的评价(Ⅰ)

通过对碳素结构钢（JIS－S45C）和高强度低合金钢（JIS－SNCM439）两种材料的边缺口试验片的周向拉压疲劳试验,用裂纹闭合的观点研究从缺口顶端萌生的微小疲劳裂纹的扩展现象。运用裂纹扩展抵抗阻力曲线法（R曲线法）对缺口试验片的疲劳强度进行了评价。包括裂纹的萌生极限、断裂极限以及停止扩展裂纹长度的预测值与实验结果吻合。     

微小疲劳裂纹的闭合现象及疲劳强度的评价（Ⅲ）

本研究对从预裂纹处萌生的疲劳裂纹的塑性诱发裂纹闭合现象进行了解析,裂纹的张开应力强度因子可近似地用负荷应力及裂纹扩展量的函数来表示。采用带有微小表面预制裂纹和边缘预制裂纹的中碳钢试验片进行了疲劳实验。用激光干涉应变－位移测量仪（ISDG）进行了裂纹闭合点的高精度动态测量。利用裂纹扩展阻力曲线法预测了预裂纹试验片的疲劳门槛值条件,所预测的值与试验结果相当吻合。     

低碳合金结构钢JR阻力曲线特性

研究了低碳合金结构钢裂纹早期扩展阻力，结果表明：具有不同强度和塑性的材料，即使在断裂韧性测试中可以得到大致相同的启裂值，但由于裂纹尖端塑性约束程度不同，启裂过程中消耗的能量不同，在随后的裂纹扩展过程中抵抗裂纹稳态扩展的阻力相差很大。     

基于裂纹闭合效应的疲劳裂纹扩展特性研究

依据线弹性力学理论对30NCD材料的裂纹扩展特性进行了研究,研究表明Paris公式能够很好地描述疲劳裂纹稳定扩展阶段的疲劳裂纹扩展速率da/d N与应力强度因子幅度ΔK之间的关系,稳定扩展段的疲劳裂纹扩展参数m=2.5~4,与绝大多数金属材料的疲劳裂纹扩展参数m=2~4的统计结果相符;NASGRO公式能较好地描述该材料从疲劳裂纹门槛值到高速裂纹扩展速率范围内的3种应力比的da/d N与ΔK关系。由裂纹闭合效应获得的有效应力强度因子范围与da/d N的关系表明:3种应力比下的所有数据都较好地关联在同一曲线上,裂纹闭合是引起应力比和裂纹扩展速率相关的主要原因,随着应力比增加,裂纹闭合程度减弱。     

瓦斯压力对砂岩渐进破坏特征的影响研究

借助多场多相耦合下多孔介质压裂—渗流试验系统，基于不同瓦斯压力下的常规三轴加载试验，通过分析砂岩的力学特性和渐进破坏规律，研究砂岩在不同瓦斯压力下开采的渐进破坏演化过程。研究结果表明，随着瓦斯压力增加，砂岩的裂纹闭合应力会呈现增加趋势，而损伤应力以及峰值应力呈现减少趋势；瓦斯压力对砂岩的峰值强度起到了弱化作用，且随着瓦斯压力增加，弱化程度随之增加；不同瓦斯压力下的砂岩在受载破坏过程中都呈现相同的变化趋势，总体分为裂纹闭合阶段、弹性阶段、微小裂纹扩展阶段、宏观裂纹扩展阶段；随着瓦斯压力增加，砂岩的裂纹闭合阶段在峰前的占比呈现增加趋势，而弹性阶段和微小裂纹扩展阶段在峰前的占比呈现减少趋势。该研究对地下深部巷道的开挖和稳定性有重要指导意义。     

基于数字图像处理的含不同开度裂隙组合花岗岩破裂规律研究

为了研究不同开度裂隙组合花岗岩破裂规律,通过RFPA-DIP数值模拟软件,基于花岗岩真实细观结构建立含不同开度裂隙组合模型,进行单轴压缩数值试验。分析了模型的应力-应变曲线特征,峰值强度特征,裂纹扩展规律和声发射特征。结果表明：应力-应变曲线上升与跌落次数随裂隙开度的增加而增多;1 mm裂隙随着加载的进行而闭合,对模型力学特性影响较小;当两裂隙开度大于或等于2 mm时,出现岩桥区成核现象;开度较大的裂隙其裂纹扩展优先于开度较小裂隙;随着开度增加,峰值抗压强度、裂纹贯穿时声发射次数和总次数呈减小趋势。研究结果对含裂隙岩体地下工程建设具有一定的参考价值。     

预裂纹岩石材料损伤声发射能量统计特征研究

为了更好地理解岩体结构的基本特性和压缩破坏现象,使用加载设备、声发射系统和高速摄像机对砂岩试件进行了一系列单轴压缩测试。结果表明,砂岩样品的断裂过程分为3个阶段：原始的微裂纹闭合、微裂纹成核和宏观裂纹扩展;完好无损和单裂口试件的损伤能量遵循幂律分布,显示损伤临界。单缝样品的最佳指数(r)约为1.64,略低于完整样品的最佳指数;砂岩试件的拟合幂律指数在实验的不同阶段会发生变化,并逐渐趋于稳定。基于直方图分析和最大似然法,试验裂纹的存在可能会影响损伤能量的统计特性。裂纹倾角对最佳指数影响不大,但对试样的断裂方式有一定影响。研究为工程岩体结构的倒塌破坏预测提供了新的理论依据。     

中强和高强铝合金的疲劳裂纹扩展特性

本文研究2024（LY12）和7075（LC4）合金的疲劳长、短裂纹扩展特性，包括裂纹扩展速率、名义门槛植、本征门槛值、裂纹闭合效应、尾迹效应．2024合金有优良名义疲劳裂纹扩展抗力和高的名义门槛值，然而又有强的短裂纹效应，归因于其高的裂纹闭合效应和裂纹闭合效应的尾迹依赖性．7075合金的本征门槛值高和短裂纹效应弱，在近门槛值区有高的本征疲劳裂纹扩展抗力．同时．探讨疲劳裂纹扩展抗力、门槛值与断裂特征的关系．     

岩石切割的有限元模拟分析

在建立岩石等脆性材料切割的力学模型基础上，采用有限元法对切割时呈现的力学状态进行了分析，且对刀刃压入后裂纹的产生和扩展初始阶段进行了模拟，其结果表明，对内部缺陷较少的岩石，以应力其准判定裂纹的产生是可行的；裂纹的类型与材料的脆性度有关；切削阻力随切入浓度增大呈非线性增加。裂纹扩展的初期路径与刀具的前角有关。     

基于最小塑性区半径准则的岩石裂纹起裂规律

岩石的变形破坏过程实质是内部裂纹不断产生、演化和扩展的过程,研究岩石中多裂纹的起裂规律对岩体工程的稳定性具有重要的理论意义和工程价值。裂纹尖端塑性区的存在是材料抵抗断裂的重要因素,裂纹尖端塑性区对裂纹的起裂扩展影响很大。为了考虑裂纹尖端塑性区对岩石裂纹起裂规律的影响,基于摩尔-库伦强度准则推导了二维应力状态下岩石裂纹尖端塑性区尺寸的计算公式,并考虑塑性区内材料的硬化对其进行了修正,然后基于最小塑性区半径准则得到了岩石中裂纹的起裂角及起裂荷载。最后,基于理论计算,分析了裂纹长度比、裂纹倾角和裂纹间距对裂纹起裂规律的影响。结果表明:平面应力状态下受压裂纹的起裂角为定值70.43°,平面应变状态下受压裂纹的起裂角随硬化系数和泊松比的增大而增大;受压裂纹的起裂荷载与裂纹长度比呈反比,与裂纹间距呈正比,且随裂纹倾角增加先减小后增大,其极值点与裂纹面的摩擦效应有关;中心裂纹对裂纹长度比和裂纹间距最敏感,外裂纹内尖端次之,外裂纹外尖端对裂纹长度比和裂纹间距最不敏感;受压裂纹的起裂荷载与裂纹面的摩擦因数和闭合度有关,相同条件下,张开型受压裂纹起裂荷载小于完全闭合型受压裂纹的起裂荷载,且平面应力状态下的...     

关于岩石切削的有限元摸拟分析

本文建立了切削岩石等脆性材料的力学模型，采用有限元法对切削时产生的力学状态进行了分析。且对刀刃压入后裂纹的产生和扩展的初期阶段进行了摸拟。分析中根据莫尔强度理论，以相对破坏限接近度为指标来判断被削材料的破坏。结果认为：对内部缺陷较少的材料。以应力基准判定裂纹的产生是可行的；裂纹的类型与材料的脆性度有关。切削阻力随切入深度增大呈非线性增加；裂纹扩展的初期路径也与实际切削实验时产生的现象相符。     

含张开/闭合裂隙的巴西圆盘裂纹扩展过程

大量的岩体失稳与节理、裂隙的起裂、扩展和贯通密切相关,裂纹扩展机理及分析方法研究具有重要的科学和工程意义。数值模拟作为一种有效的岩石破裂分析方法备受研究者青睐,但目前的模拟方法在分析压剪闭合等复杂裂隙的力学行为时,还存在诸如扩展路径锯齿化、网格依赖、扩展步长受限等问题。基于此,以巴西圆盘为基本研究对象,开展了不同初始裂隙类型(张开、闭合、填充)、接触摩擦、裂隙倾角等物理力学参数对裂纹扩展特性的影响及破裂机理的研究。首先,基于岩石断裂力学理论和裂纹尖端应力场,运用最大周向应力准则(MTS)研究了张开、闭合等初始裂纹扩展过程,分析了产生锯齿状扩展路径的内在原因,以及传统方法在快速、有效的裂纹扩展路径模拟方面存在的问题。在此基础上,建立了准脆性材料破裂局部化理论的岩体断裂模拟方法,避免了断裂参数计算不准的难题,显著提高了计算的易操作性和精度。此外,通过裂纹尖端区域的局部网格自动重划分,单步的扩展长度并不受网格大小的限制,解决了裂纹扩展的网格依赖问题。最后,通过对裂纹扩展过程力学特性以及起裂角度、扩展路径等分析,获得了整个破裂过程中裂隙面的接触、分离及再闭合等状态以及裂纹扩展的力学机理。该研究...     

高压氮气致裂增透实验系统的研发及应用

以气体射流冲击和高压氮气的准静态膨胀作用理论为基础,自主研制了高压氮气爆破致裂煤岩体实验系统,开展了不同氮气压力(5、7.5、10 MPa)和不同高压容器体积(1、2、3 L)条件下的高压氮气爆破致裂实验,以获得煤岩体在高压氮气爆破致裂过程中的动态变化规律。结果表明:随着氮气压力的提高,试块从最初的纵向主裂纹扩展为纵横2条主裂纹,次生裂纹更加发育,试块的裂纹增多、破碎度和裂纹扩展断裂区增大;同等压力下,随着高压容器体积的增大,试块主裂纹长度明显增加,次生裂纹扩展受到抑制。由高压氮气爆破致裂的p-t曲线分析,可将高压氮气爆破致裂过程根据其特点的不同分为3个阶段:气体射流冲击阶段、起裂阶段和断裂阶段。     

含孔试样渐进性破坏的表面变形特征

瓦斯抽采钻孔孔周裂隙漏气是抽采失效的主要原因之一,孔周裂隙扩展在煤体破坏的过程中表现孕育、稳定扩展及迅速扩展3个阶段。为探究孔周裂纹在松软煤体不同破坏阶段的发展特征,开展含孔试样渐进性破坏过程中的孔周裂纹扩展规律研究。将石膏与水以质量比7∶3混合制成类软煤含孔方形试样,进行单轴压缩试验并采用数字散斑相关测量方法(DSCM)获取试样表面全场变形。基于此,提出了利用DSCM系统确定应力门槛值的方法,并将其用于含孔试样渐进性破坏过程的孔周变形精细化分析,利用该方法所确定的应力门槛值可将试样的破坏过程划分为5个阶段,通过提取与计算分析试样表面全场变形数据,得到在不同阶段内试样表面相对位移、以及孔周位移。结果表明:试样表面相对位移发展历经缓慢降低,加速降低以及迅速降低3个阶段,其中加速降低和迅速降低阶段与应力-应变曲线的裂纹稳定扩展和裂纹加速扩展对应;在压缩过程中,由于孔周对称移动造成孔周表面拉伸和压缩错动,最终在表面形成主拉伸裂纹和法向剪切裂纹。     

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。     

基于黏聚型裂纹本构关系的煤岩水力压裂韧性破坏模型

线弹性断裂力学作为一种十分成功的断裂理论框架,已被广泛地应用于表征固体材料中裂纹扩展行为。对于线弹性岩石断裂力学来说,岩石一般被简化为脆性材料,相对于裂纹尺寸及试件尺寸,其裂纹尖端前断裂过程区(Fracture process zone,FPZ)范围很小可以被忽略。而另一方面,煤的破坏形式通常表现为韧性破坏,即其应力峰值后存在明显的应变软化区。对于这种韧性材料,其断裂过程区尺寸范围相对较大且会对材料的断裂行为产生很大的影响,因此线弹性断裂理论不再适用于描述煤体中裂纹扩展。而黏聚型模型(Cohesive zone model,CZM)被证明是一种有效的理论工具,能够描述韧性材料断裂过程区中的断裂行为。在该黏聚型本构模型理论中,裂纹尖端前的断裂过程区被简化为一条闭合的裂纹或闭合的裂纹面(分别对应二维及三维情况),其中断裂过程区内非线性断裂行为通过黏聚力与相对位移之间的本构关系进行表征。通过对煤进行圆盘形紧凑拉伸试验建立了不同煤阶煤(其中包括弱黏煤、气煤、肥煤、贫瘦煤及无烟煤)的黏聚型裂纹本构关系,试验结果表明,随着煤试件煤阶的升高,其初始刚度及峰值载荷逐渐升高,最大张开位移逐渐降低,试验峰后软化阶段载荷-CTOD曲线趋于线性变化且破坏形式逐渐趋于脆性破坏。采用Karihaloo多项式黏聚型本构方程对5种煤阶煤软化曲线进行拟合,得到煤体中黏聚型裂纹模型本构关系的一般形式。针对煤层松软的力学特性和韧性破坏特征,建立了基于黏聚型裂纹本构关系的煤岩水力压裂多场耦合方程组,包括多孔介质变形方程、孔隙渗流方程、裂隙渗流方程及Karihaloo多项式本构关系方程。并采用包含裂隙流水压自由度的黏聚型界面单元法进行数值模拟。结合大型真三轴水力压裂实验,验证所得煤岩水力压裂模型的正确性;根据数值模拟和物理实验结果,讨论了煤岩松软的力学特性及其裂纹尖端过程区对水力压裂的影响。     

单一裂纹几何特征对岩石力学性质影响程度研究

基于岩石工程的宏观破坏多是由岩石内部损伤张开、闭合、扩展和贯通引起的,以裂纹为例为探究其几何特征对岩石力学性质影响程度的大小,设计包含裂纹长度、角度、分布位置3种因素的数值模拟正交实验,通过方差分析对这3种几何特征对岩石峰值应力影响程度进行显著性检验。结果表明:岩石峰值应力随裂纹长度增加而减小,随裂纹角度增加而增大,且裂纹位置对其影响在分布上存在2个区域,在岩石边界区域峰值强度随裂纹位置靠近边界而增大,在岩石内部区域其峰值强度受裂纹位置改变的影响不显著。并通过偏eta平方量化不同几何特征对岩石物理性质影响程度的大小,得出:裂纹长度裂纹倾角裂纹位置。     

岩体裂纹扩展液-热-力耦合模块数值模拟研究

为研究液 热 力三场耦合作用下深地工程岩体裂纹 扩展演化机理,基于现有裂纹扩展模拟优势软件 FRACOD, 进一步研发了液 热 力(H-T-M)耦合模块。此模块采用 间接边界元 位移不连续法进行力学数值计算(岩体的变形 和裂纹扩展)和瞬态热流模拟,用迭代法模拟裂纹扩展过程。 通过地热能开发、地下天然气液化存储工程案例进行分析验 证。模拟结果表明:①注入的流体温度与围岩温度不同时, 流体在裂隙中流动引起热交换,在岩体内部产生温度压力, 促进了裂纹扩展;②冰膨胀对岩石应力的影响随着裂隙孔径 的增加而增大,所产生的压应力使岩体中的裂隙闭合,降低 了流体泄露的风险。得到的试验结果能够清晰地反映出裂 纹、不连续面及其扩展过程和演化规律,验证了该模块的可 行性和优越性。     

爆炸荷载对邻近巷道背爆侧裂纹的影响规律

为了探究爆炸应力波对邻近巷道背爆侧隐性裂纹的影响规律,采用爆炸加载透射式动态焦散线系统,进行了试验研究。试验结果表明:在爆炸荷载作用下,邻近巷道围岩中存在裂纹缺陷的背爆侧也成为主要扰动区,且扰动大小与裂纹距巷道距离和裂纹长度有关;当裂纹长度为5 mm,裂纹与巷道间距分别为2,3,4和5 mm时,裂纹扩展过程中动态应力强度因子变化曲线呈现相似的规律,即当裂纹与巷道贯穿后快速增大到第1峰值,然后在峰值上下持续振荡一段时间后减小到0,所不同的是,在峰值上下振荡性变化的持续时间和期间的最大值逐渐减小,最大值依次为1.651,1.572,1.419和1.346 MN/m3/2,这决定了裂纹远端的最终扩展位移对应为25.197,16.378,10.236和5.984 mm,呈逐渐减小的规律;裂纹与巷道间距的存在不仅对裂纹的扩展有一定的延迟作用,而且削弱了作用于裂纹远端的应力波能,并且这种延迟和削弱作用随裂纹与巷道间距的增大逐渐增强。     

加载速率影响下裂隙细砂岩裂纹扩展试验及数值模拟研究

为研究裂隙倾角和加载速率对岩石裂纹扩展及破坏模式的影响,采用中心钻孔法在50 mm×50 mm×100 mm的细砂岩试样上预制宽度范围为0°～90°的贯通裂隙,并对其进行声发射及摄影监测下单轴压缩试验和PFC数值模拟研究,综合分析其裂纹演化规律及变形破坏特征。结果表明:裂隙砂岩试样的破坏模式包含拉伸破坏、剪切破坏和拉伸/剪切混合破坏3种,根据裂纹起裂机理及发展轨迹可将其细化分为T1～4(拉伸)型、S1～3(剪切)型、M1～2(混合)型等9种类型,裂纹萌生亦可分为翼形裂纹、反抗拉裂纹、共面/非共面次级裂纹、横向裂纹等5种类型,且均与岩样加载破坏过程密切相关。岩样裂纹扩展及破坏模式受控于裂隙倾角α,随着α的增加,裂纹起裂应力升高,起裂位置由预制裂隙中央向尖端转移,裂纹前期萌生数量降低,岩样破坏模式由剪切破坏向拉伸破坏过渡。加载速率亦对岩样裂纹扩展及破坏模式产生影响,随着加载速率的增加,裂纹萌生类型由翼形裂纹变为反抗拉裂纹,且不再向其他裂纹类型转化,裂纹起裂时间缩短,破坏模式由剪切破坏向拉伸破坏过渡,岩样表面宏观裂纹数目降低。岩样的破坏过程与其声发射特征密切相关,声发射定位信息准确地反应了岩...