数字图像相关法测定岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹应力强度因子

提出了一种通过数字图像相关方法测定岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹尖端位置和应力强度因子的试验方法。试验通过数字图像相关方法测定裂纹尖端区域位移场数据,将位移场数据带入极坐标系下位移场方程,计算裂纹尖端位置和应力强度因子。试验结果表明：采用该方法可以准确的测定岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹应力强度因子、裂纹尖端位置及裂纹扩展长度,解决了以往研究方法因不能准确测定裂纹尖端位置和扩展方向,而无法准确测定岩石应力强度因子的难题。     

含水平裂隙的3D打印类岩石试件力学特性研究

为探究裂隙张开度对裂隙岩体力学特性的影响机制,利用3D砂型打印技术制备含水平裂隙的类岩石试件,考虑不同的裂隙张开度,对其进行单轴压缩试验;通过有限元数值模拟从应力分布的角度解释试验现象;结合数字图像相关方法进行非接触式全场变形观测,定量分析裂纹萌生、扩展以及贯通行为。研究结果表明：通过3D砂型打印技术制备的裂隙类岩石试件具有更接近于天然岩石的物理力学特性,且试验结果具有很好的可重复性,测试所得的力学参数变异系数小于0.046;含不同水平裂隙张开度的类岩石试件应力■应变曲线大致相似,峰值强度随着裂隙张开度的增加而逐渐减小,最后趋于稳定;裂隙张开度的增加导致试件起裂应力逐渐增大,但裂纹均起裂于裂隙中部,这与主应力最大值及其分布位置有关;数字图像相关方法可实现试件加载过程的应变全场测量,应变局部化带的渐进演化反映了裂纹起裂、扩展以及贯通行为;计算裂纹扩展路径周边的位移矢量分布,识别出张拉、剪切、拉剪3种位移场类型,发现裂隙张开度的改变不会影响试件破坏模式,均表现为拉剪混合破坏。研究有助于进一步加深裂隙岩体力学特性的认识,也为3D打印技术在岩石力学试验的应用提供参考。     

数字散斑相关方法测定岩石I型应力强度因子

提出一种通过数字散斑相关方法测定岩石I型裂纹尖端位置和应力强度因子的试验方法。采用数字散斑相关方法观测三点弯曲加载条件下,含I型预制裂纹的花岗岩半圆盘试件裂尖区域的位移场,采用牛顿–辛普森方法求解含未知参量的非线性位移场方程组,计算裂尖位置和应力强度因子。研究结果表明,采用该方法可以准确测定岩石I型应力强度因子、裂尖位置及裂纹扩展长度,揭示岩石断裂及裂纹扩展的演化特征。该方法解决以往研究中因不能准确测定裂纹尖端位置,而无法计算岩石断裂参数的难题。     

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。     

断裂力学钢筋混凝土结构中裂纹发展过程分析

基于断裂力学的基本原理，从改变结构中裂纹受力状况入手，论述了各种状态的应力强度因子，对钢筋混凝土中裂纹扩展状况及与混凝土应力强度因子的关系进行了分析，采取必要的措施降低裂纹的应力强度因子，达到显著效果。     

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.     

孔洞对爆生裂纹动态扩展行为影响研究

试验研究含有预制裂纹的砂岩圆板在爆炸荷载下不同孔洞间距(S)对裂纹动态扩展行为的影响。试验中采用应变片测试获取爆炸加载波形作为AUTODYN数值模拟裂纹扩展效果及ABAQUS数值计算应力强度因子的加载力。试验中采用CPG测得裂纹起裂—扩展时刻,根据测得试验数据得出普适函数,对ABAQUS计算所得应力强度因子进行修正最终得到裂纹动态极限应力强度因子。通过对比分析在不同孔间距下裂纹的动态极限应力强度因子,裂纹扩展长度及裂纹扩展速度得出以下述结论:(1)孔洞对爆炸荷载下的预制裂纹动态扩展行为有所影响,且孔洞间距越小其影响效果越显著;(2)一般情况下裂纹的起裂极限应力强度因子要略高于扩展极限应力强度因子,裂纹的扩展速度对裂纹扩展极限应力强度因子有一定影响,且二者总体趋势呈反比;(3)当裂纹扩展至孔洞附近时,由于孔洞的作用提高了裂纹的扩展极限应力强度因子,进而降低了裂纹的扩展速度并减小了裂纹的扩展长度。此外若将孔洞视为隧道光面爆破中的辅助孔或周边孔,那么研究结论可为隧道光面爆破中控制断面内的原生裂纹扩展长度,以期达到隧道围岩最大程度上的完整性提供理论支撑。     

含裂纹模拟岩石材料动焦散实验研究

应用动态焦散线方法,进行了含预置裂纹模拟岩石材料的冲击断裂实验。分析裂纹预置位置与长度对裂纹扩展及断裂破坏的影响规律,为相关领域的岩体工程稳定性分析提供依据。实验结果表明,应力强度因子在裂纹起裂前后呈现振荡变化特征;随着裂纹距试件左边缘长度的增加,应力强度因子数值逐渐变小,裂纹起裂时间提前,II型因子比例逐渐降低;随着裂纹长度的增加,应力强度因子最大值减小,裂纹起裂时间提前。     

岩石亚临界裂纹扩展试验及门槛值研究

利用Instron1342型电液伺服材料试验机,采用常位移松弛法对大理岩、花岗岩双扭试件进行了亚临界裂纹扩展试验研究,获得了其裂纹扩展速率V与应力强度因子KI的关系(KI-V曲线)及I型断裂韧度,分析了不同岩石中裂纹亚临界扩展的规律,确定了岩石亚临界裂纹扩展的停滞速度和门槛值K0。研究表明:采用常位移松弛法所测岩石的lgKI-lgV关系都有很好的线性规律,即岩石的亚临界裂纹扩展速率与裂纹尖端应力强度因子服从幂函数关系,这与Charles理论相符。二种岩石的K0/KIC值的变化在0.706～0.870之间。所测数据为岩土工程稳定的时间相依性研究提供了基本数据。     

含缺陷PMMA介质的定向断裂控制爆破试验研究

 以PMMA为试验材料,采用新型数字激光动态焦散线方法试验系统,从试验角度将裂纹缺陷和空孔缺陷纳入同一研究体系,进一步研究缺陷对定向断裂控制爆破裂纹扩展的影响。结果表明,缺陷形态对爆生主裂纹扩展长度的影响并不明显。爆生主裂纹的扩展分为2个阶段,I阶段(0～120 μs)：爆生主裂纹的扩展速度和尖端动态应力强度因子均迅速减小;II阶段(120 μs～止裂)：从缺陷处反射的应力波对裂纹尖端的作用效应逐渐明显,加强了裂纹尖端的能量积聚和应力集中,使得速度和动态应力强度因子均有较大程度的跃升;随着试件缺陷两侧曲率的增加,II阶段的爆生主裂纹速度峰值和动态应力强度因子峰值均逐渐减小。     

基于断裂力学的焊接钢梁疲劳寿命数值分析

研究应用断裂力学理论和有限元方法来数值模拟和预测焊接钢结构疲劳寿命的方法。首先基于两种具有不同焊接构造细节的钢梁疲劳试验中裂纹形成位置和扩展途径,建立了基于应力强度因子概念的疲劳裂纹扩展模型及相关参数;然后讨论如何利用有限元软件ABAQUS进行疲劳裂纹扩展过程中裂纹前缘的单元网格划分和应力强度因子的J积分计算,给出了疲劳寿命预测计算流程。最后经预测结果与试验结果的比较,验证了焊接钢结构疲劳寿命的数值分析模型和方法的适用性。     

岩石断裂力学的扩展有限元法

针对岩石材料的断裂力学问题阐述扩展有限元法的单元位移模式的选择、确定平面裂纹空间位置的水平集法和特殊单元的数值积分方法。介绍最大周向应力裂纹扩展判据和计算应力强度因子的相互作用积分法,进而建立岩石断裂力学的扩展有限元法。建立Ⅰ型裂纹和Ⅱ型裂纹的岩石断裂力学的扩展有限元计算模型,对I裂纹的应力强度因子和Ⅱ型裂纹的裂纹扩展路径进行扩展有限元法数值模拟计算。结果表明,建立的岩石断裂力学扩展有限元法可对岩石材料的断裂力学参数和裂纹扩展路径进行数值模拟分析,验证了数值计算结果的合理性,能有效地描述岩石断裂力学特性。     

岩盐蠕变行为的宏细观损伤特性试验研究

 岩盐的长期力学行为是地下储气库建设安全评估的重要参数,其蠕变特性和所受荷载条件(应力、温度、湿度)与其内部结构紧密相关。利用数字图像相关技术研究金坛岩盐不同尺度下蠕变过程及损伤演化。数字图像测试技术不仅给出材料在100 µm和厘米尺度全场应变分布,而且跟踪裂纹的发展变化。重点介绍不同应力水平下材料的蠕变行为,试验结果验证了蠕变速率随应力水平的提高而增加,测量到该岩盐在11 MPa的单轴条件下的宏观尺度稳定蠕变速率为10－9 s－1左右,而细观蠕变速率与其对应的结构紧密相关。蠕变过程中,裂纹扩展引起的损伤被准确定位,主要在晶粒与晶粒之间,且主要属于张拉破坏。     

采用裂纹张开位移确定复合材料的应力强度因素

主要目的是采用裂纹张开位移(COD)确定复合材料的混合模式应力强度因子。首先,用带裂纹复合材料的一系列解决办法评估裂纹张开位移值,然后采用最小二乘法计算混合模式应力强度因子。这个算法可用于任何生成或测量裂纹张开位移值的方法,其优点是接近裂纹末端的裂纹张开位移值不是必需的。应用有限元模拟和实验室试验两个方法证实,如果排除解法的特定条件,最小二乘法具有一定的精度。     

求解断裂问题的新型无网格数值流形法

无网格数值流形法(MLS-NMM)将基于节点近似的移动最小二乘插值法(moving least squares,MLS)引入数值流形法(numerical manifold method,NMM)中,降低了NMM的网格依赖性,提高了计算精度,同时继承了NMM能自然地处理连续与非连续问题的优点。为提高MLS-NMM求解断裂问题的适应性,通过将裂纹尖端附近的数学片整合生成复合片,并在其上定义有限项的位移Williams级数重现裂纹尖端的位移场,同时在裂纹尖端附近采用四叉树局部加密方式提高计算精度,建立求解线弹性断裂问题的新型无网格数值流形法。该方法可直接利用应力强度因子和Williams级数项的关系求解应力强度因子,避免了后处理方法(如交互作用积分法)求解。为模拟裂纹扩展,使用最大周向应力准则判定裂纹扩展方向。最后,通过2个应力强度因子算例和2个裂纹扩展算例的计算模拟,结果显示:本文方法求解线弹性断裂问题是有效的,且建议取9项Williams级数和采用2层局部加密方式。     

岩体Ⅰ型裂纹的有限元数值模拟分析

叙述了如何运用有限元方法对KⅠ型裂纹断裂韧度测试试验进行数值模拟,并阐述了运用位移法估算裂纹强度因子的过程和方法,重在阐明使用有限元数值模拟计算岩石Ⅰ型裂纹应力强度因子的准确性和可行性。     

三峡船闸花岗岩亚临界裂纹扩展试验研究

采用双扭试件和自行研制的加载装置,对三峡船闸花岗岩进行了亚临界裂纹扩展试验研究。采用ＵＣＡＭ５Ｂ自动巡回监测仪量测加载过程中试件的位移和应变。根据试验结果,得到了花岗岩亚临界裂纹扩展速度与应力强度因子之间的关系和花岗岩的断裂韧度。由于试验方案设计合理,试验结果可靠     

XFEM在钢箱梁板件静态疲劳裂纹分析中的应用

钢桥在受力性能、制造施工等方面具有较多优势,在国内外实际工程应用中得到了广泛的应用。但随着钢桥服役时间的增加,疲劳裂纹萌生、开裂的现象不断发生。相对于传统有限元方法(FEM),扩展有限元方法(XFEM)在钢箱梁疲劳裂纹扩展数值模拟分析中具有独特的优势。文章利用XFEM方法,对含半椭圆形表面裂纹的钢箱梁板件进行了应力强度因子的求解,与传统有限元方法以及应力强度因子手册中的计算值进行了比较,经分析发现,利用XFEM进行裂纹前缘应力强度因子的计算,误差基本可以控制在5%以下,故利用XFEM进行钢箱梁板件静态疲劳裂纹数值模拟是可行的。     

岩石亚临界裂纹扩展的应力腐蚀

介绍了岩石亚临界裂纹扩展的应力腐蚀机理,采用双扭试件常位移松弛法,对金川矿区的三种岩样进行亚临界裂纹扩展速率测试,得出了应力强度因子与亚临界裂纹扩展速率间的关系。实验数据按腐蚀理论进行线性回归分析,线性相关系数较高。所测岩样的应力腐蚀亚临界裂纹扩展是拉应力和裂纹尖端物质与环境中的腐蚀介质发生化学反应,使化学键断裂这两种机制联合作用的结果。     

沥青路面典型裂纹的开裂扩展特性研究

从介绍沥青路面典型裂纹类型出发,以强度因子为主要参考指标,利用ABAQUS建模,分析了沥青表面裂纹在1d内的温度应力和荷载作用下裂纹扩展类型,研究了沥青面层贯穿裂纹与基层反射裂纹复合作用下强度因子随间距D的变化规律及裂纹主要扩展方式,从而为相关研究人员提供借鉴。