含三维内裂纹试件单轴拉伸裂纹扩展数值模拟研究

以往研究针对三维内裂纹在单轴拉伸下的裂纹扩展与三维内裂纹尖端的应力强度因子变化较少,为定量化研究三维内裂纹单轴拉伸下的裂纹扩展与应力强度因子的变化,对不同预制内裂纹角度在拉伸荷载作用下的裂纹扩展规律进行了数值模拟研究,将裂纹扩展过程及最终破坏形态与已有研究进行了对比。计算结果表明:当预制裂纹角度为0°时,预制裂纹呈现自相似扩展,当预制裂纹为其他角度时,预制裂纹尖端出现翼裂纹扩展,预制裂纹角度为15°、30°、45°、60°时,翼裂纹与原预制裂纹分别呈18°、49°、64°与80°;随着预制裂纹与水平方向的角度增大,Ⅰ型应力强度因子逐渐减小,对于同一预制裂纹角度来说,预制裂纹短轴顶点上的Ⅰ型应力强度因子较其他方向要大;随着预制裂纹角度的增大,Ⅱ型应力强度因子整体上先增大后减小;对于同一种预制裂纹角度来说,预制裂纹的左端与右端(对应于距离为0,0. 5,1处)Ⅱ型应力强度因子达到最大,而预制裂纹短轴处顶点(对应于距离为0. 25和0. 75处)Ⅱ型应力强度因子达到最小为0;数值模拟结果与室内试验结果体现出较好的一致性。研究成果为正确认识轴拉情况下的三维裂纹扩展规律提供了一定的参考。     

偏置三维内裂纹单轴拉伸裂纹扩展数值模拟

为研究偏置三维内裂纹在单轴应力下的裂纹扩展过程,利用三维裂纹计算软件Franc3d软件进行了数值模拟,得到了裂纹扩展过程及裂纹前缘的应力强度因子变化,计算结果表明:(1)单轴拉力作用下,预制裂纹尖端首先出现翼型裂纹,随后裂纹逐渐向四周扩展,裂纹先贯穿试件左右两面,而后贯穿试件的前后面形成贯穿型裂纹.(2)三维预制内裂纹倾角α=0°、30°时,预制裂纹尖端翼裂纹扩展后期两个翼裂纹呈现相互吸引的规律,而当三维预制内裂纹倾角α=45°、60°时,翼裂纹之间则不存在相互吸引靠近的趋势,预制裂纹内侧尖端的翼裂纹扩展要小于预制裂纹外侧尖端.(3)相对Ⅰ型应力强度因子随着预制裂纹尖端距离的变化(从相对距离0变化到相对距离1)呈现先增大后减小再增大再减小的规律,相对Ⅱ型应力强度因子随着预制裂纹尖端距离的变化呈现先减小后增大再减小再增大的趋势.     

含偏置裂纹试件单轴拉伸试验数值模拟研究

为研究不同岩桥长度及不同预制裂纹倾角下单轴拉伸三维表面裂纹试件裂纹扩展及相互作用规律,利用Franc3d软件对不同裂纹倾角和不同岩桥长度进行数值模拟。结果表明,单轴拉伸作用下,三维表面裂纹试件尖端首先出现翼裂纹,最终贯穿试件的表面,内侧裂纹扩展速率小于外侧,不同岩桥长度及不同预制表面裂纹倾角试件裂纹之前裂纹存在不同程度的吸引作用;裂纹尖端内侧的扩展速率大于裂纹短轴尖端,同时也大于裂纹尖端外侧;岩桥长度越大、预制裂纹倾角越大,Ⅰ型、Ⅱ型应力强度因子越小,Ⅲ型应力强度因子越大。     

含内裂纹试件水-力耦合裂纹扩展研究

为研究三维内裂纹在水-力耦合下的裂纹扩展规律,利用著名断裂力学计算软件Franc3d对双轴条件下含内裂纹标准立方体试件水力压裂进行数值模拟,得到了裂纹的扩展过程以及裂纹尖端的应力强度因子的分布。计算结果表明:①利用三维断裂有限元计算软件Franc3d对水-力耦合下的裂纹扩展过程进行了数值模拟,可见Franc3d软件在模拟水-力耦合下的裂纹扩展问题上具有很大的优越性;②裂纹扩展沿着预制裂纹尖端进行萌生,沿着最大主应力方向进行扩展,最终裂纹与最大主应力方向呈现一定的夹角;③对裂纹尖端的应力强度因子进行了计算,可以发现水-力耦合下的内裂纹扩展为Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合。     

巴西圆盘复合断裂数值模拟研究

为研究复合断裂准则下含中心裂纹巴西圆盘在单轴应力下的裂纹扩展规律及应力变化过程,基于M积分理论及最大能量释放率准则,对含不同角度中心裂纹巴西圆盘在单轴应力下的裂纹扩展进行了数值模拟,得到了裂纹扩展过程,应力强度因子变化及应力云图,并与试验结果进行了对比,结果表明:①M积分及最大拉应力准则在裂纹扩展方面的计算具有较高的精度及准确性;②裂纹沿着原预制裂纹尖端萌生,沿最大主应力方向扩展;③一型应力强度因子在裂纹中部应力强度因子达到最大,并随预制裂纹倾角的增大呈现不断减小的趋势,而二型应力强度因子随着预制裂纹角度先增大后减小。     

水工混凝土边切槽三点弯数值模拟研究

为探究水工混凝土边切槽试件三点弯裂纹扩展规律,基于最大拉应力准则(MTS),对不同倾角下的水工混凝土边切槽试件三点弯曲进行数值模拟研究,得到了裂纹扩展过程、裂纹前缘应力强度因子分布以及裂纹尖端的扩展长度随扩展步的变化,并将数值模拟结果与室内试验进行对比,验证了数值模拟的合理性。计算结果表明:①最大拉应力准则及M积分在岩石裂纹扩展中的优越性得以体现,可以解决岩石三维断裂问题,计算结果可靠;②预制裂纹的角度越大,Ⅱ型分量也就越大,翼裂纹与原预制裂纹的夹角也越大;③应力强度因子呈现预制裂纹中间数值较大而靠近试件表面较小的规律,预制裂纹倾角越大,Ⅰ型应力强度因子越大,而Ⅱ型应力强度因子呈现先增大后减小的规律;④裂纹前缘的扩展长度随扩展步呈现线性增大的趋势,Ⅱ型分量越大,裂纹的扩展速率越慢,Ⅰ型的裂纹扩展的速率最快。     

受压圆孔板的闭合裂纹尖端应力强度因子解析解

研究多应力场相互作用下的裂纹尖端应力强度因子是断裂力学中的重要内容,探究压缩荷载下圆孔与裂纹相互作用下的裂纹尖端应力强度因子对受压材料断裂准则与强度的影响至关重要。在含圆孔板单轴压缩初始解的基础上,采用叠加原理推导得出了单轴压缩圆孔板的裂纹尖端应力强度因子积分方程,采用切比雪夫多项式推导得出了积分方程的近似解;运用有限元方法对同一问题进行分析,并与积分方程的近似解进行对比;分析了圆孔尺寸、裂纹尺寸、裂纹位置以及裂纹面摩擦系数对裂纹尖端应力强度因子的影响。结果表明：通过叠加原理得出的裂纹尖端应力强度因子解与有限元方法解基本吻合,证明了基于初始解与叠加原理得出的裂纹尖端应力强度因子积分方程的正确性;更大的裂纹尺寸和圆孔尺寸、与孔边更近的位置以及更小的裂纹面摩擦系数会造成更大的应力强度因子,同时,靠近孔边侧的裂纹应力强度因子波动相较于远离孔边侧更为明显。     

中心直裂纹圆盘无量纲应力强度因子获取精度研究

岩石断裂韧性是岩石抵抗裂纹扩展能力的表征,而无量纲应力强度因子是计算断裂韧性的关键参数,目前众多国内外学者采用Atkinson给出的中心裂纹圆盘试件的近似公式获取中心直裂纹圆盘的无量纲应力强度因子。对Atkinson给出的无量纲应力强度因子近似公式及中心裂纹圆盘试件的级数解精度进行了研究,并给出了较广范围的产生纯Ⅱ型裂纹加载条件,还采用有限元方法标定了不同预制裂纹宽度时中心直裂纹圆盘Ⅰ型裂纹的无量纲应力强度因子。分析结果表明:YⅠ随着相对裂纹宽度增大逐渐减小,且当相对裂纹宽度大于0.01后,YⅠ变化幅度逐渐减小;不同裂纹宽度条件下,YⅠ随加载角变化的规律相同。当裂纹宽度仅为0.1 mm时,其无量纲应力强度因子解析解与数值解会产生很大偏差,因此在断裂韧性测试中应根据实测的裂纹宽度对无量纲应力强度因子进行标定。     

双材料界面裂纹动态应力强度因子有限元分析

为研究界面裂纹动态应力强度因子在冲击荷载作用下的变化规律，利用双材料界面理论，推导出界面裂纹尖端的应力强度因子表达式。采用ＡＮＳＹＳ有限元软件，对由不同材料组合而成的四点剪切复合试样进行动态响应分析，发现张开型应力强度因子Ｋ１随着模态角的增加而减小，剪切型应力强度因子Ｋ２的绝对值则随着模态角的增加而增大，且变化趋势较张开型应力强度因子Ｋ１更复杂。进而将该理论运用到均质三点弯曲试样的动态响应分析中，发现通过有限元计算得到冲击荷载下的动态应力强度因子具有较高的精度。     

含三维深埋裂纹脆性岩石水力压裂数值模拟研究

为研究三维深埋裂纹水力压裂裂纹扩展规律,利用Franc3D软件模拟了裂纹扩展过程。结果表明,水力压裂裂纹扩展因子越大,裂纹扩展形态由原来的翼形包裹状裂纹扩展逐渐转变为自相似扩展;裂纹长轴端点的裂纹扩展速率要小于裂纹短轴端点;裂纹Ⅰ型、Ⅲ型应力强度因子在裂纹长轴端点达到最小,在短轴端点达到最大,而Ⅱ型应力强度因子则相反;水力压裂裂纹扩展因子越大,裂纹的3个应力强度因子的绝对值也越大。     

重力坝混凝土与岩石界面断裂分析

本文采用有限元法分析了重力坝坝基上裂纹大小和方向的影响。选择裂纹尖端的应力强度因子作为断裂准则,重点介绍了静水压力和扬压力的影响。结果表明,结构的几何特性、施加的荷载以及混凝土和岩石的力学特性之间的差异导致了裂纹的混合模态行为。当归一化裂纹长度达到坝宽的0.4时,Ⅰ型应力强度因子显著增加。当归一化裂纹长度达到0.7时,Ⅱ型应力强度因子对裂纹长度的增加变得敏感。静水压力显著影响应力强度因子变化,扬压力效应随着裂纹长度的增加变得显著。     

单轴压缩下岩体斜裂纹断裂特性研究

以岩体中受单向轴力压缩的中心斜裂纹为研究对象,基于修正的最大周向应力判据MTS分析了裂隙岩体破坏过程中Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹的扩展规律及断裂特性。修正的断裂判据考虑了裂纹间的摩擦系数、闭合度和平行于主裂纹尖端的非奇异项T应力,并分析了这些参数对主裂纹尖端应力强度因子及裂纹开裂角的影响。结果表明:裂纹的断裂角不仅与主裂纹特征和载荷方向有关,还与载荷大小间接相关;岩体裂纹间的摩擦系数和闭合度只对KⅡ有负向影响;T应力的存在及大小对周向应力的最大值及其位置有较大的影响。更多还原     

T应力对脆性材料初始裂纹起裂角影响研究

为检验和提高MTS准则对线弹性材料复合型裂纹扩展预测的精确性,考虑了T应力在脆性断裂中的作用,建立了广义MTS准则。该准则描述了变量Ⅰ型和Ⅱ型断裂应力强度因子、断裂韧性KⅠ和KⅡ、平行裂纹的应力分量T应力以及临界裂纹扩展区半径对裂纹扩展的影响,对裂纹尖端应力分布的描述更加精确。研究结果表明：考虑T应力后,初始起裂角随裂纹倾角增大呈现先增大后减小的趋势;相比于GMTS准则预测结果,在β>45°时MTS准则预测起裂角偏大,且起裂角对T应力变化更加敏感;而在β>45°时预测结果受T应力变化影响均偏小;对于复合型裂纹,由GMTS准则计算得到的断裂角与传统MTS计算得到的结果区别很大。脆性材料裂纹扩展受到裂纹尖端奇异应力K及常数项T应力的共同控制,通过考虑裂纹尖端Williams级数解高阶项的影响提高了对裂尖应力分布的描述精度。     

裂纹尖端解析解与周边数值解联合求解应力强度因子

由于裂纹尖端位移和应力分布的复杂性,采用常规数值方法（如有限元法）的插值方式不易获得快速收敛的应力强度因子计算值。基于数值流形方法,提出将裂纹尖端Williams解析解与其周边高阶多项式级数的数值解联合应用以求解应力强度因子的新方法：在裂纹尖端所在网格的结点上采用Williams位移解析级数,并用结点自由度强制约束方式得到裂纹尖端区域的解析级数;在与之相邻的周边网格内将解析级数与多项式级数用形函数连接;给出应变矩阵和刚度矩阵的具体表达式及积分方式;利用数值流形方法的网格与材料边界分离的特性以及不连续覆盖技术,使裂纹可以在网格内穿过,给材料边界（包括裂纹边界）附近的网格划分带来很大的方便;通过典型算例验证了方法的有效性。考虑到Williams级数是对裂纹尖端位移场的最佳逼近,这种新方法相比扩展有限元等其他新方法而言将有更快的收敛性。     

含三维内裂纹透明类岩石材料破坏红外热像试验研究

由于目前针对含三维内裂纹的岩石破坏红外热像特征的研究较少,本文基于预埋浇注法制作含内裂纹类岩石试件,开展了单轴压缩块体试验和巴西圆盘劈拉试验,得到含内裂纹的岩石破坏过程,监测内裂纹扩展及试件破坏过程中的红外热像特征,得到以下结论:(1)含三维内裂纹的块体试件在单轴压缩下,在预制内裂纹面上发生剪切破坏;(2)块体试件在单轴压缩作用下红外热像特征明显,在破坏时,在预制内裂纹面处急剧升温;(3)含三维内裂纹巴西圆盘试件在预制内裂纹尖端发生翼型裂纹扩展,边缘带有针刺状Ⅲ型裂纹参与特征,最终翼型裂纹与上下表面贯穿;(4)巴西圆盘试验的红外热像特征与块体单轴压缩不同,在断裂面处未发生明显变化。研究结果为研究三维内裂纹的扩展规律及内裂纹扩展破裂的红外热像规律可提供一定的试验参考。     

Ⅱ型裂纹应力强度因子和应变能释放率关系的分析

根据裂纹闭合单位面积所做的功等于裂纹扩展单位面积所释放的能量的关系来对Ⅱ型裂纹的扩展进行理论分析,推导出了Ⅱ型裂纹的G,K关系,且在ANSYS中建立有限元模型对Ⅱ型应力强度因子进行计算并与强度因子手册中的公式进行验证。更多还原     

基于应力与速度时程分析的边坡开挖爆破裂纹扩展研究

为研究边坡单孔爆破过程中裂纹扩展形态特征,利用ANSYS/LS-DYNA建立边坡单炮孔模型,基于爆破过程中能量释放的2种形式对裂纹形态进行模拟分析,并对3处不同位置的裂纹尖端单元进行应力与速度时程曲线对比分析。研究表明:以连续的裂纹尖端单元应力变化率与速度变化率为参数可用于分析不同裂纹扩展形态,随裂纹尖端处应力变化率增大易产生轴向延伸,随速度变化率增大易产生径向延展;模拟得出两裂纹平均应力波变化率之比约为2.25倍,与不同药包形式的应力波衰减比例关系较为吻合。研究成果可为岩体开挖爆破设计提供一定的参考。     

含预制双裂纹试样岩桥贯通模式的数值研究

当双裂纹岩体破坏时,不同裂纹之间的应力场会相互作用,岩桥区域会发生贯通。将应变强度准则嵌入到二次开发的扩展离散元UDEC中,模拟了含预制双裂纹试样的拉伸裂纹及剪切裂纹的扩展。数值模拟结果发现双裂纹试样在单轴压缩过程中会出现4种岩桥基本贯通模式:（1）伴随着2条预制裂纹尖端的翼裂纹独立逐渐扩展,但岩桥区域不发生贯通的不贯通模式;（2）在岩桥区域内,主应力场及切应力场集中,产生剪切裂纹贯通岩桥,切应力对贯通起主导作用的剪切贯通模式;（3）在岩桥区域内,主应力场高度集中,岩桥贯通具有瞬时性,拉伸裂纹贯通岩桥的拉伸贯通模式;（4）在拉力与剪力共同作用下,试样达到强度最高峰值后产生的拉剪混合贯通模式。通过与室内试验对比,将应变强度准则运用到数值模拟分析中可以更准确描述细观破坏时应力应变及岩桥贯通的变化,丰富了多裂纹岩样在细观力学中的贯通机理,为研究岩体细观破坏提供数值模拟参考。     

半圆弯拉下岩石内裂纹扩展规律数值模拟研究

岩石内部固有缺陷的存在和扩展是导致其断裂的重要因素,半圆弯拉试验是该领域的重要实验。为研究半圆弯拉下含三维内裂纹试件扩展路径及断裂特性,基于Franc3D有限元自适应网格划分技术开展含三维内裂纹SCB试样数值模拟,结果表明:(1)基于Franc3D软件的三维裂纹扩展与室内试验具有较好的一致性,该软件是三维裂纹数值模拟的重要工具。(2)通过M积分得到裂纹尖端应力强度因子,分析得出对称加载模型为K_Ⅰ与底部加载跨距呈正相关的Ⅰ型断裂模式;非对称加载模型中出现复合断裂模式,随着右侧加载跨距的增加,K_Ⅰ先降低再升高,K_Ⅱ及K_Ⅲ先变化至0,再逐渐升高。(3)基于最大拉应力准则得到裂纹扩展路径,对称加载模型在I型断裂模式下进行平面扩展后破坏,非对称加载模型出现复合断裂模式,伴随翼型起裂并扩展至破坏。(4)定量分析对称加载模型裂纹内部扩展规律得出,裂纹下端扩展速率最大,上端扩展速率最小。     

混凝土复合型(I、II型)裂纹断裂准则的计算和试验研究

本文提供了用奇异性八结点四边形等参数单元算得的偏裂纹三点弯曲梁和四点弯曲梁的应力强度因子K_I和K_II.偏裂缝三点弯曲梁试件的跨度与高度之比分别为4、3和2.给出了计算偏裂纹三点弯曲梁的K_I和K_II的经验公式.用对称三点弯曲梁、偏裂纹三点弯曲梁和四点弯曲梁试件测定了混凝土的K_Ic、K_IIc和复合型(I、II型)裂纹的临界的K_I～K_II曲线.根据试验成果,建议了混凝土复合型(I、II型)裂纹断裂准则的经验公式和根据K_I/K_II值计算起裂角的经验公式.