冲击荷载作用下的I/II复合型裂纹扩展规律研究

 为了研究纯I和I/II复合型裂纹在冲击荷载作用下的动态断裂行为,基于提出的单裂纹半孔板(SCSC)构型和大直径分离式霍普金森压杆设备,使用2种石材进行岩石的纯I和I/II复合型的动态断裂实验;同时,实验中使用新装置(裂纹扩展计和高速摄影系统)来监测裂纹的扩展速度。为了检验实验结论,基于Drucker-Prager强度模型和累积损伤失效准则,建立针对纯I和I/II复合型裂纹的数值模型,并使用AUTODYN软件来模拟裂纹的扩展行为。总体上,由数值模拟得到的裂纹扩展路径和实验结果十分吻合。研究结果表明,在裂纹扩展的过程中,其扩展速度是一个变化量,甚至有可能停滞,也就是说可能出现止裂现象;同时,CPG和高速摄影系统都可以很好的反映出此现象,并且高速摄影系统更加直观,说明在动态断裂研究中是适用的,同时给出纯I型动态断裂实验裂纹扩展速度特征,供工程参考。     

爆炸作用下隧道拱肩Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹起裂及扩展规律研究

为了分析隧道拱肩Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹在爆炸荷载下的起裂及扩展规律,采用带有拱肩裂纹的岩石隧道模型(rock tunnel modelwith a spandrelcrack,RTMSC)进行了爆炸试验。试验中采用裂纹扩展计(crack propagation gauge,CPG)及应变片测试裂纹的起裂、扩展及止裂规律。数值模拟采用AUTODYN软件。裂纹尖端的动态应力强度因子k_Ⅰ~d(t)和k_Ⅱ~d(t)(SIFs)的计算采用ABAQUS软件。结果表明:(1)裂纹在扩展过程中,在扩展路径上出现了拐点,同时在拐点处存在较为明显的止裂现象。(2)炮孔位置显著影响裂纹的起裂、止裂和扩展。(3)裂纹扩展过程中,动态能量释放率不是一个常数。(4)随着裂纹扩展速度的增加,Ⅰ型和Ⅱ型临界SIFs逐渐减小。     

冲击荷载下岩石裂纹动态扩展全过程演化规律研究

为研究岩石裂纹全过程扩展规律及扩展行为中的定区域止裂问题,提出修正侧开半孔板(improved single cleavage semi-circle specimen,ISCSC)构型构件。通过大直径分离式霍普金森压杆试验系统进行冲击试验,使用裂纹扩展计测试系统测定了裂纹扩展速度,同时引入拉伸断裂软化损伤破坏模型进行数值模拟,通过试验–数值法,深入分析动载荷下岩石裂纹全过程扩展演化行为及双空心孔对于裂纹扩展的影响。结果显示,ISCSC构型实现了裂纹扩展中的定区域止裂,可以精准预测止裂区域;预制双空心孔的构型分布对裂纹扩展行为影响巨大,裂纹扩展速度受到明显抑制;裂纹扩展至双孔中心连线区域时,裂纹尖端拉应力场与双孔形成的叠加应力场相互作用,导致主裂纹扩展速度急剧降低,甚至出现止裂现象;裂纹扩展至叠加场时,极易受到物质不均匀性影响,产生偏折或分叉;同时,数值计算的结果和试验吻合,验证ISCSC构型用于研究裂纹起裂、扩展及止裂全过程演化行为的有效性。     

冲击荷载作用下含裂纹的钢筋混凝土梁动力响应及裂纹扩展分析

含裂纹的钢筋混凝土梁在冲击荷载作用下的冲击响应是一个复杂的非线性过程。采用最大主应力准则作为混凝土的开裂准则。利用ABAQUS建立了冲击荷载下含裂纹的钢筋混凝土梁的三维模型,其中,混凝土梁采用三维实体单元,钢筋采用桁架单元,不考虑钢筋与混凝土之间的黏结滑移。通过沙漏能控制确保数值模拟方案的精确性与合理性。通过改变冲击速度、冲击块质量和配筋率等参数,得到这些参数对冲击作用下含跨中裂纹的钢筋混凝土梁的动力响应与裂纹扩展的影响,揭示冲击响应与裂纹扩展随参数变化规律。结果表明:随着冲击速度、冲击块质量的增大,钢筋混凝土梁激起的响应越剧烈;配筋率的提高可以增加钢筋混凝土梁的抗冲击性能;裂纹为非均速发展,前期裂纹发展速度较快,后期扩展速率较慢;提高配筋率可以抑制裂纹的发展。     

爆炸荷载作用下动态裂纹扩展试验研究

应用爆炸加载的透射式动焦散线测试系统,分析了爆炸裂纹的扩展规律。用有机玻璃试样直观、形象地研究了爆炸加载和卸载过程破裂时的应力(应变)场、成核区(阴影区)的动态特征变化,分析了爆炸裂纹发展、止裂及破坏模式、动态应力强度因子的变化规律,精确得到了材料在爆炸荷载作用下的止裂韧性值。确认了早期爆炸裂纹是在爆轰压力作用下产生快速扩展裂纹,裂纹尖端形成应力集中和积聚较大的应变能,爆炸裂纹中后期的焦散形式与一般动态焦散接近相同。初步提出了爆炸裂纹的大部分扩展是应变能释放的动态卸载破坏的结论。     

冲击荷载下缺陷介质裂纹扩展的DLDC试验

采用数字激光动态焦散线试验系统,利用落锤冲击含预制裂纹(倾斜角度分别为0°,30°,45°)的缺陷介质,研究裂纹扩展的动态行为.结果表明:冲击荷载下,裂纹会于预制裂纹一端起裂,扩展至整个试件,且扩展路径指向重锤落点;主裂纹尖端的动态应力强度因子振荡增大又减小,然后增大至最大值时主裂纹起裂;次裂纹起裂前,KId振荡变化,起裂后迅速增大后振荡减小;主裂纹起裂后,速度迅速减小;次裂纹扩展速度先增大后振荡减小,与KId的变化趋势保持一致;含缺陷的冲击断裂试验中,主裂纹起裂时间较晚.     

冲击荷载下层理对页岩内裂纹扩展行为影响规律的研究

为了研究冲击荷载作用下页岩的断裂特性及层理对裂纹扩展行为的影响规律,基于实验–数值法,采用大直径分离式霍普金森压杆(SHPB)加载系统分别对0°,30°,45°,60°及90°层理倾角的页岩侧开单裂纹三角孔板构型试件(single cleavage triangle,SCT)进行动态冲击实验,并借助AUTODYN有限差分软件采用复合层状岩石模型对裂纹扩展过程进行数值模拟。实验结果表明,层理对裂纹扩展方向及试件破坏形态影响显著。裂纹的扩展速度与加载速率整体上呈正相关关系,加载速率较低的情况下裂纹停滞现象容易发生。沿层理面开裂是页岩等层状类岩石主要的破坏形式,但是次生裂纹的起点并不完全随机,实验发现裂纹扩展速度减缓处是次生裂纹起萌的高发区域。     

千斤顶过大荷载作用管片裂纹扩展规律探析

在上软下硬不良地层施工,通常增大千斤顶荷载避免盾构机被困,千斤顶荷载过大导致管片应力集中,引起管片开裂,对盾构隧道长期安全性影响显著。文章基于扩展有限元理论,运用ABAQUS有限元软件建立管片精细化三维模型,并对裂纹形态特征、裂损机制、扩展规律、扩展路径进行分析。研究结果表明:千斤顶过大荷载作用,管片因最大拉应力超过材料极限抗拉强度而开裂,初始裂纹出现在管片中部内弧面上边缘,裂纹形态为内、外弧面与顶面的大范围网状裂纹。裂纹长度扩展呈现台阶式递增的特点,裂纹扩展可以分为三个阶段,第二阶段裂纹扩展最迅速,第三阶段管片发生区域性压溃破坏。     

岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹动态扩展SHPB实验及数值模拟研究

为了研究Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹动态扩展问题及裂纹止裂问题,侧开单裂纹半孔板(single cleavage semi circle compression,SCSCC)试样采用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统进行冲击,完成SCSCC试样I–II复合型裂纹动态断裂实验,并针对实验进行数值分析,研究其扩展路径。为了验证数值模拟的可靠性,不仅进行有限尺寸中心裂纹板受冲击拉伸作用的动态有限差分法分析,而且在对SHPB实验进行数值分析后,将模拟监测点应变值与实验中入射杆应变片测得的应变值进行比较。结果表明:(1)验证分析中应力强度因子结果与其他测试的结果比较吻合,同时,模拟监测点记录下的应变值与SHPB实验中入射杆应变片记录下的应变数据相比较,两者吻合程度很高,说明使用数值方法模拟SHPB实验的可行性;(2)数值模拟的裂纹扩展路径与SHPB实验裂纹扩展路径基本吻合;(3)SCSCC试件在扩展过程中,裂纹尖端存在短暂停留现象,并最终朝着试件中轴线方向(最大应力区)移动;(4)SCSCC试件是一种便于研究裂纹动态扩展问题的构型,可以有效地求解不同复合程度的I–II复合型裂纹问题,为后续的止裂研究提供基础。     

变幅荷载下钢桥疲劳裂纹扩展规律及长度预测方法研究

为探明变幅荷载对钢桥疲劳裂纹扩展的影响,该文以钢桥面板顶板-竖向加劲肋为构造细节,开展了9组常/变幅疲劳试验,对比分析常/变幅荷载下疲劳裂纹扩展行为,探讨载荷次序、过载比、高/低载循环次数对疲劳扩展行为的影响。在此基础上,采用Kujawski扩展模型对常/变幅疲劳扩展规律进行预测分析,并建议复杂变幅荷载下疲劳裂纹扩展的预测方法。结果表明,变幅荷载下的裂纹扩展存在迟滞和加速行为,其中由高应力幅变为低应力幅时会产生明显的扩展迟滞现象,并且过载比越大、高载循环次数越多,所产生的迟滞现象越明显。变幅荷载下各应力幅加载阶段的扩展速率与对应常幅扩展速率较为接近,可以将复杂变幅荷载下的疲劳裂纹扩展近似等效为多段常幅裂纹扩展,并利用Kujawski扩展模型实现对实际疲劳裂纹扩展长度的初步预测。现场测试及跟踪结果也验证了该文所提出裂纹长度预测方法的合理性。     

循环冲击荷载作用下岩石损伤规律的试验研究

为研究岩石在循环冲击荷载作用下的损伤规律,设计了3组试验,考虑了围压、荷载冲量大小和冲击次数对岩石损伤程度的影响。通过对大理石试件在压力试验机上的模拟冲击加载,测试受冲击后试件轴向超声波波速,并用超声波波速变化量描述试件的损伤度,得出了大理石试件的冲击损伤度与围压大小、荷载冲量大小和冲击次数的相关性。结果表明:在围压相同的情况下,岩石的循环冲击损伤与冲击次数和荷载冲量有关;在荷载冲量相同时,岩石的循环冲击损伤与冲击次数和围压有关;围压的存在提高了岩石的冲击强度,降低了岩石的损伤演化速率;围压效应的显现与冲击荷载的等级有关。     

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。     

冲击荷载作用下岩石破裂损伤的耗能规律

从损伤的实质物理意义出发,提出了损伤参量的抽象分形,把损伤推广应用到岩石的破碎阶段,用损伤插值分形来表示总体损伤,从而构造出损伤与块度的迭代关系式.根据冲击荷载作用下岩石中的能量耗散规律与脆性动态断裂准则,把应力波作用下的疲劳损伤迭代关系式应用到岩石的破坏后阶段,从而得出冲击能量、岩石损伤、块度分布之间的关系.实验研究表明,两种关系计算所得的损伤吻合较好.     

循环荷载作用下钢筋与混凝土界面裂纹扩展的模拟

钢筋混凝土的界面脱粘是材料与结构破坏的一个重要方面,循环荷载作用下的界面疲劳问题研究越来越受到关注.基于剪切筒模型和常用加载方式,首先建立了循环荷载作用下钢筋与混凝土界面脱粘应力计算模型;借助断裂脱粘准则和描述疲劳裂纹扩展的Paris公式,得到了界面疲劳裂纹扩展速率、扩展长度以及脱粘界面上摩擦系数与循环加载次数的关系;对处于循环荷载作用下的钢筋与混凝土界面进行裂纹扩展的模拟计算与分析.     

冲击荷载作用下砂岩动态力学性能与耗能规律

采用直径为Ф50 mm的分离式霍普金森压杆试验装置对砂岩进行动态冲击试验,研究砂岩在不同冲击荷载作用下的动态力学响应及耗能规律。结果表明:应力-应变曲线峰值随冲击荷载增加而渐进性增大,且出现“滞后”现象;岩石材料的破碎特征有明显的率相关性,随着平均应变率的增大,单位体积吸收能越高,岩石碎块的大块占比越小,砂岩的试样的破碎程度越大。     

预裂纹混凝土拉压疲劳荷载下裂纹扩展速率

为研究C50混凝土预裂纹在拉压循环荷载下的扩展速率,进行了应力比为-1,应力幅值为020~130MPa的拉压疲劳试验.针对混凝土在拉压疲劳荷载下裂纹扩展时其长度不易确定的问题,提出潜行等效裂纹长度假说对试验结果进行分析.结果表明：混凝土裂纹第1阶段起始扩展区和第2阶段稳定扩展区比较明显,第3阶段加速扩展区不明显,在稳定扩展区后期,裂纹扩展曲线的斜率并不像金属那样快速增加,而是增幅趋缓,在稳定扩展阶段后期无征兆突然破坏,与混凝土脆性断裂的特性相一致.利用最小二乘法拟合得到裂纹扩展速率Pairs公式中的参数C,m,在考虑50%,90%,99%的存活率时,C可在031~045,076~099,122~198中取值,m取值范围对存活率大小的敏感性较低,可在30~48之间取值.     

冲击荷载作用下灰岩的能量耗散及损伤演化规律研究

利用改进后的直径50 mm的分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对灰岩试件施加不同加载速率的冲击压缩试验,分析了试验中灰岩试件的能量耗散特征;通过基于Weibull分布的动态统计损伤理论并结合试验曲线分析了灰岩的损伤演化规律,并探讨了最大损伤变量与能量耗散密度的关系。研究结果表明:透射、吸收、反射能量受入射能量的影响显著,并且透射能的相关性最显著;能量耗散密度随应变率的增加而显著增加,呈现较好的线性正比关系,能量耗散密度为零时的临界应变率为62.56 s^-1;动态抗压强度与应变率呈指数函数关系;灰岩试件的能量吸收率随应变率的提高而显著减小。基于Weibull分布的动态损伤本构模型的计算曲线与试验曲线较为一致,损伤变量D随应变的增加而逐渐增加,在应力应变曲线峰值处,损伤变量D存在一个明显的拐点,损伤在此处开始急剧增大;灰岩的最大损伤变量D_max与能量耗散密度呈较强的对数函数关系,存在D_max为零时的临界能量耗散密度值。     

爆炸动载荷下裂纹扩展规律的实验研究

 为研究在爆炸动载荷作用下岩石内裂纹的起裂及扩展规律,应用PMMA材料制作带裂纹平板试样,在距离裂纹尖端60 mm的圆周上设置与裂纹成不同角度的炮孔,然后引爆雷管来实验研究裂纹的动态起裂及其扩展规律,系统地研究爆炸应力波入射角对裂纹起裂角和扩展角的影响规律。实验结果表明,入射角为0°时,起裂角为0°,即裂纹沿原裂纹面扩展;当入射角大于15°而小于75°时,在裂纹的两端会产生翼型裂纹,其翼型裂纹的起裂角及扩展长度都与入射角有关;当入射角大于75°时,新生裂纹很小。     

疲劳裂缝扩展规律及随机荷载作用下的计算机模拟

本文从疲劳裂缝扩展规律和荷载的随机性两个方面来研究钢结构疲劳问题。依据16Mn钢母材、焊缝、熔合线和热影响区等部位裂缝扩展速率的测定结果,建立了门槛值和扩展速率公式,并用它来分析钢结构的疲劳性能。 经统计分析建立疲劳荷载的概率模型,并用统计模拟法(Monte-Carlo法)产生相应伪随机荷载序列。在随机加载试验的基础上,建立考虑高、低应力相互作用的裂缝扩展物理模型和计算公式,提出了计算随机疲劳寿命的程序。 为简化计算,对焊接结构,本文从裂缝扩展门槛值得出截止应力,并从断裂分析导出了随机荷载的等效常应力幅公式。这样便可先按常幅条件计算疲劳寿命,然后再考虑非线性累积损伤的影响,计算值与试验结果相吻合,故可供工程设计应用。