混凝土材料断裂韧度分形尺寸效应

根据混凝土材料裂纹的分形特性,分析了混凝土的断裂韧度与裂纹带高度之间的变化关系.结合裂纹弯折扩展模型,计算了裂纹分形维数,提出了分形断裂韧度的理论模型,并与实验结果进行了验证.     

焊接结构低周疲劳损伤分形演变模型

用宏观与微观相结合的方法研究焊接接头疲劳损伤演变规律。认为焊接接头中疲劳裂纹扩展路径在一定尺度范围内具有分形特征，用分形几何学方法建立裂纹扩展模型，将断裂力学的概念运用到损伤力学演化规律研究中，给出分形有效应力强度的表达式以及损伤演化率方程，推导出损伤演变方程，为从微观层次定量描述焊接结构疲劳断口特征及宏观疲劳断裂特性提供了一种新的有效方法。     

分形几何方法模拟混凝土材料的裂纹扩展

假设裂纹顶端沿分形轨迹运动,开裂路径垂直于最大主应力方向,由此建立了描述裂纹非规则信展的分形几何模型。给出了用Ｃ语言开发模拟混凝土简支梁在集中荷载下裂纹生成与扩展的例子。     

20号管道用钢延性断裂数值分析

按弹性塑性增量理论，应用ＪＲ阻力曲线控制方法对２０号管道用钢中心裂纹试样平面应力条件的延性断裂和裂纹放展过程进行了有限元数值分析研究。计算表明，随裂纹扩展量增加，Ｊ积分路径依赖性变大，但在距裂尖较远区域，Ｊ积分保持好的路径无关性，表明采用远场Ｊｆａｒ扩展模拟判据是可行的。     

中度球化的20g材质疲劳裂纹的扩展速率

对已超期服役且中度球化的焦炭塔20g材质在常温下的疲劳裂纹扩展速率dα/dN进行了试验研究。试样采用CCT试样，有效试样数为3件，用七点递增多项式法求dα/dN和△k 将3个试样的da/dN和△k数据点合在一 起 进行回归分析。回归时对数据点进行了取舍，对前几组数据点的异常（da/dN随△k的增大而降低）作了理论上的分析，认为是预制裂纹产生过高的残余拉应力影响了裂纹的正常扩展，随着裂纹扩展，预制裂纹时产生的残留塑性区被消耗掉，疲劳裂纹扩展速率才恢复正常。得到了以Pais表达的平面应变da/dN与△k关系式。将此式与另一个不同实验条件下的关系作了比较，认为该式反映了该材料在目前状况下的疲劳扩展规律。     

船用Q235钢裂纹扩展速率试验

针对船体结构疲劳断裂问题,以船用Q235钢为研究对象,开展一系列紧凑拉伸试样裂纹扩展速率试验,分别采用柔度法和图像法测量裂纹长度,应用七点递增多项式法及最小二乘法对试验数据进行拟合回归,并比较2种方法的准确性及稳定性。在对试验数据进行统计特性研究的基础上,得到裂纹扩展参数C、m的统计规律。最后结合概率断裂力学理论,给出不同概率水平下的裂纹扩展速率公式。为进一步研究含裂纹的复杂船体结构裂纹扩展特性及疲劳可靠性提供了理论依据及试验基础。     

冲击载荷对煤样表面裂纹扩展特征影响研究

以型煤和原煤试样为研究对象,以自行研发的落锤式冲击加载试验装置、基于细观分析的微结构演化三维自动测控试验装置和煤岩表面微结构动态演化三维细观监测软件为主要研究设备,对冲击载荷作用下煤样表面裂纹扩展规律进行了试验研究.结果表明:冲击荷载使两类试样表面产生自上而下与冲击方向呈锐角分布的裂纹;表面裂纹形态呈锯齿状,且裂纹扩展遇坚硬颗粒时表现为穿晶与绕晶扩展模式相结合,并可能产生分岔,总体呈S型扩展;与型煤相比,原煤表面裂纹的变化频率、形态的粗糙度、分岔频率和穿晶扩展的比例均较低;随着冲击次数的增加,煤样表面裂纹宽度扩展表现为渐进式与突变式2种,表面裂纹扩展方向表现为随着冲击次数增加呈"高速变化-平缓发展-急速变化"3段式;坚硬颗粒阻碍煤岩表面裂纹扩展,原生裂隙对其具有双重作用,非均质性使其起裂位置和扩展路径具有很强的随机性;提出了1种表征煤岩表面裂纹扩展路径的函数;受相同作用后,原煤表面裂纹的分形维数大于型煤;随着冲击载荷增加,煤样表面裂纹分形维数呈减小趋势,各裂纹间分形维数的差异也逐渐减小.     

疲劳裂纹扩展理论及其在混凝土疲劳性能研究中的应用

指出了研究疲劳裂纹扩展阶段对于工程材料疲劳性能研究所具有的重要性。对工程材料疲劳裂纹扩展理论的发展进行了回顾,并且对该理论在混凝土材料中的应用及研究现状进行了介绍;对传统Ｐａｒｉｓ公式和Ｆｏｒｍａｎ公式在高密度钢纤维混凝土等复合材料中应用所面临的问题进行了探讨,提出按照分形理论,以表面裂纹的分维值Ｄ来建立材料断裂准则。     

深水立管环缝裂纹扩展和疲劳寿命仿真研究

深水立管作为深水生产系统中连接水面浮式装置和海底设备的导管,具有非常重要的作用。利用三维断裂分析软件FRANC3D对循环载荷下深水立管环焊缝焊接缺陷造成的等效裂纹进行了裂纹扩展仿真,通过仿真得到了裂纹扩展的形态和特征,计算了疲劳裂纹扩展寿命,并且将计算结果与BS7910标准进行了对比。     

铝合金摩擦搅拌焊接焊区的Ⅰ/Ⅱ型复合断裂研究

采用二维计算机视觉-数字图像比对技术，进行裂纹稳定扩展实时表面位移测量，定量分析了铝合金2024-T351母材及摩擦搅拌焊接后不均匀、各向异性的焊区的Ⅰ/Ⅱ型复合裂纹稳定扩展的断裂性能、临界COD及其分量CODⅠ和CODⅡ并研究了母材及焊区裂纹的扩展路径．结果表明（1）距裂纹尖端后某一固定距离的临界COD可反映焊区的断裂韧性，（2）临界COD值反映复合裂纹的扩展受Ⅰ型或Ⅱ型裂纹扩展主导，（3）焊区的临界COD值对应地为母材的85％．（4）用数字图像比对技术分析Ⅰ/Ⅱ型裂纹的断裂性能是切实可行的一种新方法．     

冲击荷载下混凝土损伤裂纹的分形实验

采用分离式Hopkinson压杆实验装置,对混凝土材料在冲击荷载下的动态单轴压应力极限值及裂纹分形维数值进行了研究.依据盒维数计算原理,设计了基于Matlab的数字图像盒维数计算程式,建立了一种数字图像盒维数简易算法.实验结果表明,冲击荷载条件下,混凝土表面裂纹具有很好的分形特性,分维是表征混凝土破坏程度的一个定量参数,并用分形维数对混凝土试块的单轴动态抗压强度极限值和应变率进行定量描述,拟合了试块动态单轴压应力极限值与其对应的分形维数的定量关系.为探索混凝土表面裂纹图形的分形特征与其承受的动荷载之间的内在规律,提供了一条新的研究思路.     

混凝土材料宏观结构形貌的分形解析

从分形集与分形空间的属性,分析了混凝土材料宏观结构形貌的分形特征,用改变粗视化度的测试方法,测试了石子最大粒径较小的泵送混凝土和粒径较大的干硬性混凝土断面集料边界的分形维数,用盒计数方法测试了两种混凝土的断面集料状态、碱集料反应裂纹以及公路桥梁冻害后的裂纹的分形维数.研究表明,石子最大粒径较小的泵送混凝土集料边界分形维数较高,达到1 9232,粒径较大的干硬性混凝土普通混凝土集料边界分形维数较低,仅为1 4549,但其集料的盒维数较高,达到1 9817.碱集料反应裂纹以及公路桥梁冻害后的裂纹均具有非常显著的分形特征,用分形解析描述混凝土这一宏观结构特征是十分有效的方法.     

橡胶混凝土梁裂缝分形理论分析

通过实验研究橡胶混凝土梁和普通梁在集中荷载下受弯性能,探讨橡胶粉对混凝土梁的承载力、裂缝宽度的影响。实验结果表明:两种梁表面裂缝分布都具有统汁意义上的自相似性;在同一荷载等级下橡胶混凝土梁的最大裂缝宽度小于普通混凝土最大裂缝宽度,胶粉的加入改善混凝土材料抗裂性能;利用分形理论求出各荷载等级下表面裂缝分维值,并建立起表面裂缝分维值与最大裂缝宽度间关系。     

Influence of fractality of fracture surfaces on stress and displacement fields at crack tips

In the classic theory of fracture mechanics, expressions for calculating the stresses and displacements in the vicinity of the crack tip are deduced on the basis of the assumption that a fracture surface is a smooth surface or that a crack is a smooth crack. In fact, the surface of a crack formed during the fracture is usually very irregular. So the real asymptotic form of the stress and displacement fields at the crack tip is different from the classic one. Considering the irregularity of a real fracture surface or a real crack profile, the crack is taken as a fractal one, and then the real asymptotic form at the crack tip is developed by applying Griffith’s energy balance principle and fractal geometry. Through the developed asymptotic form, it is discovered that the fractality of the crack reduces the stress singularity at the crack tip.

     

Influence of fractality of fracture surfaces on stress and displacement fields at crack tips

In the classic theory of fracture mechanics, expressions for calculating the stresses and displacements in the vicinity of the crack tip are deduced on the basis of the assumption that a fracture surface is a smooth surface or that a crack is a smooth crack. In fact, the surface of a crack formed during the fracture is usually very irregular. So the real asymptotic form of the stress and displacement fields at the crack tip is different from the classic one. Considering the irregularity of a real fracture surface or a real crack profile, the crack is taken as a fractal one, and then the real asymptotic form at the crack tip is developed by applying Griffith’s energy balance principle and fractal geometry. Through the developed asymptotic form, it is discovered that the fractality of the crack reduces the stress singularity at the crack tip.     

压实膨胀土表面裂隙参数之间的关系分析

利用图像处理软件对干湿循环后不同压实度的膨胀土试样表面裂隙参数进行提取,并通过曲线回归和拟合得到了裂隙参数之间的函数关系.结果表明:1)裂隙网络相关参数及块区个数、裂隙率、分形维数随干湿循环次数增加而增大,而块区平均面积逐步减小.提高膨胀土的压实度,可有效地抑制土样的开裂.2)裂隙条数、裂隙总长度、块区个数与裂隙率和分形维数都具有良好的指数关系,裂隙平均宽度和块区平均面积与裂隙率分别具有较好的二次多项式关系和对数关系,裂隙平均宽度与分形维数却具有很好的线性关系,区块平均面积与分形维数则具有较好的幂函数关系.实验结果可以简化裂隙的量测,推进裂隙的定量化表述和裂隙的数值模拟化.     

Fracture characteristics of iron ore under uncoupled blast loading

A blasting experiment was conducted on iron ore samples by considering multiple coupling charge coefficients. The resulting internal fracture and damage characteristics were quantitatively analyzed via computerized tomography (CT), scanning, and three-dimensional (3D) model reconstruction. The results show that the iron ore primarily displayed radial and circumferential cracks along the blast hole under an explosive load. When the decoupling coefficient was small, the crack surface was dominated by transgranular fractures in the form of intracrystalline fractures. As the uncoupling coefficient increased, the crack surface exhibited transgranular and intergranular coupled fracture modes. Using fractal theory to analyze crack distribution characteristics, as the decoupled coefficient increased, the body fractal dimension tended to decrease, and the degree of damage gradually decreased. The degree of damage reached a turning point when the decoupling charge coefficient was approximately 1.33. A numerical simulation suggested that the explosion energy transmitted to the iron ore and the effective stress decrease sharply when the decoupling coefficient exceeds 1.33. In some optimal uncoupling coefficient range, excessive fragmentation of the ore body is prevented, thereby allowing full use of the explosive energy.     

Detection of subcritical crack propagation for concrete dams

Subcritical propagation of cracks is a warning sign of fracture. If such propagation is detected at an early stage, timely maintenance measures can be taken to prevent the failure of structures. To detect the subcritical propagation of a crack, the crack needs to be monitored continuously in a long term, which is not realistic under certain conditions. However, cracks in concrete dams can be monitored continuously by dam monitoring to offer possible detection for subcritical propagation. In this paper, with measured crack openings from dam monitoring, a state equation for characterizing crack development is established based on the grey system theory. The relation between the stability of the equation and the subcritical crack propagation is investigated, then a criterion is proposed for detecting subcritical propagation. An example demonstrates the validity of the criterion and its potential for practical application.     

裂隙分布的分形特征与岩石强度的相关性研究

依据分形几何学的基本观点对岩石中的裂隙分布进行了观测研究，提出了描述裂隙分布规律的分形维数Ｄ及度量裂隙发育程度的指数Ｑ、Ｋ，并建立了裂隙发育指数与岩石单轴抗压强度之间的相关规律