不同夹角Y型裂纹混凝土试样破坏特征的研究

本文对含非对称Y型分支裂纹混凝土试样在三向压缩载荷下的破坏特征进行了研究,利用ABAQUS软件进行了数值计算,并与试验结果进行了对比分析。试验和数值计算结果均表明: 随着分支裂纹与主裂纹之间夹角由小到大的变化,分支裂纹尖端的应力强度因子KI从负值变化到正值,而两个水平主裂纹尖端的应力强度因子KI的绝对值都在增加。但对KII而言,分支裂纹的应力强度因子KII先减小后增加,并在30°～45°之间出现极值。通过KImax随角度变化的曲线可知,当倾角为75°时试件的抗压强度最低,当倾角为90°时的强度次之,与试验基本吻合。     

在压缩载荷作用下Y型分支裂纹的实验与数值研究

裂纹的存在极大地影响了材料的力学性能。通过光弹实验和数值分析方法,计算和分析了Y型分支裂纹在压缩载荷作用下裂纹尖端的应力强度因子。实验和数值计算结果表明:分支裂纹周围的等差线条纹基本上对称;分支裂纹与主裂纹的倾角从0°～90°不断变化对主裂纹尖端的应力强度因子影响很小,但使分支裂纹的应力强度因子KI不断减小,而KⅡ则先逐渐增大然后逐渐减小,在45°～60°之间取得极值;同时分析了侧压力对分支裂纹的影响,计算表明,侧压力的逐渐增大使分支裂纹的应力强度因子KI不断增大,而KⅡ则不断减小直到为零。     

基于ABAQUS二次开发的巴西圆盘断裂机理

针对含中心裂纹的巴西圆盘开裂模型利用ABAQUS进行了参数化二次开发,基于扩展有限元法和最大周向应力准则对试件裂纹扩展进行数值模拟并验证,研究了围压对裂纹扩展以及裂纹尖端应力强度因子和T应力的影响.研究结果表明,试件在预制裂纹尖端发生起裂并沿最大周向应力方向扩展.随着裂纹倾角增大,Ⅰ型应力强度因子逐渐减小,Ⅱ型应力强度因子呈现先增大后减小的趋势,T应力逐渐增大.随着围压数值的升高,试件的断裂韧度增大,T应力增大,而Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子几乎不受影响.     

正交各向异性板复合型裂纹能量释放率分析法

将Palan iswamy能量释放率准则推广到各向异性材料,即认为裂纹沿着最大能量释放率的方向扩展.通过计算支裂纹尖端的应力强度因子得到主裂纹尖端的能量释放率,分析了正交各向异性板I-II复合型裂纹的断裂方向角与KⅠ/KⅡ之间的关系.计算结果表明:随着KⅠ/KⅡ增大,断裂方向角θ减小.当K/K大于7时,θ小于3°,基本上沿裂纹面扩展;当θ等于15°时,KⅠ/KⅡ等于0.894 9,KⅡ的影响已经超过KⅠ的影响;当θ大于35°时,KⅠ/KⅡ,这时基本上为Ⅱ型裂纹.     

含界面裂纹的GFRP沥青混合料巴西盘断裂力学分析

为研究GFRP沥青混合料界面裂尖力学特性,对混合料进行强度分析,设计了含预制界面裂纹的双材料巴西盘试件,实测了加载角度在25°90°之间27个巴西盘试件断裂荷载、裂纹扩展路径和断口形式等试验数据,结合试验数据建立了考虑GFRP正交异性双材料巴西盘有限元模型,采用数值外插法反算了界面应力强度因子,进行了GFRP沥青混合料巴西盘断裂力学性能的理论分析和试验研究.结果表明,含预制界面裂纹的双材料巴西盘试件能全面地反映GFRP沥青混合料的断裂形态,是一种有效的试验方法;以界面应力强度因子作为力学评价指标,能够很好地解释试验现象;含预制界面裂纹的GFRP沥青混合料巴西盘符合椭圆强度准则.     

Ⅰ-Ⅱ型裂纹发展的剪应力准则研究

将Ⅰ-Ⅱ型裂纹表面的剪应力引入裂尖应力强度因子的计算,获得了含中心闭合裂纹在不同裂纹长度、倾角以及摩擦系数下裂纹尖端的应力强度因子值。引入等径向剪应力线τrθ这一概念,在预测裂纹发生临界扩展时提出以下两个假设：闭合裂纹将沿着等τrθ线上双剪应力和最小的方向扩展;裂纹尖端的应力强度因子KⅡ达到材料的临界值KⅡc,裂纹将开始扩展;建立了Ⅰ-Ⅱ型闭合裂纹的剪应力准则。利用所建立的断裂判据计算求得的临界起裂角鼠与各种经典复合型断裂准则计算裂纹起裂角的结果较为接近,将其应用于Ⅰ-Ⅱ型裂纹的断裂判定是安全的。     

压缩荷载作用下3条共线裂纹贯穿裂纹方形平板强度的实验与数值研究

摘 要：本文首先利用ABAQUS软件对共线三裂纹的裂纹尖端应力强度因子进行了数值模拟分析,给出了裂纹尖端应力强度因子的数值解,并与前期的理论解进行了比较,结果表明本文建立的数值模模型及计算方法是有效的。同时为了定性地验证理论与数值解的有效性,采用自制的真三轴加载装置,实验研究裂纹倾角对试件强度的影响规律,实验所用脆性材料为水泥砂浆,试件为带有预制贯穿裂纹的方形平板。结果表明裂纹倾角对其强度有很大影响,在倾角为45度左右时其强度最低。     

基于应力梯度的Ⅰ型中心裂纹应力强度因子修正方法分析

基于无限大板Ⅰ型中心裂纹尖端附近非均匀应力分布规律，提出一种考虑应力梯度影响的应力强度因子计算方法。首先，利用校正的Westergaard应力函数求解单向拉伸Ⅰ型裂纹尖端附近应力场，分析其对裂纹扩展的作用，采用应力与距离分离形式，更加凸显因距离r值的大小而引起应力发生变化的本质原因；其次，提出应力系数函数用以表征应力场的变化，考虑当相对应力系数梯度函数值变化1%时，应力梯度变化对裂纹的扩展无影响，并定义为特征距离r_eff,以此范围内平均应力去修正应力强度因子K;最后，以20Cr钢为研究对象验证本文方法的正确性和可行性，结果表明：本文计算方法得到的应力强度因子为经典断裂学方法的1.22倍，主要原因是考虑了应力梯度的影响，裂纹尖端附近实际承受的应力增大，应力强度因子增大。     

光弹性与全息光弹性确定应力强度因子的一个修正方法

本文根据裂纹尖端应力场沿θ=0°和θ=90°的精确解,导得了用光弹性和全息光弹性方法确定Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型裂纹尖湍应力强度因子的计算公式。按这些公式进行计算,不但可提高结果的可靠性,而且可放宽量测区域的范围。为了便于应用,文中给出了修正系数的曲线和数表。文章指出,对于K_Ⅰ的光弹性测定来说,当θ=90°,r=0.2时,精确解与近似解之间的差异小于0.7％;然而,对于K_Ⅱ和K_Ⅲ的光弹性测定以及K_Ⅰ和K_Ⅱ的全息光弹性测定来说,近似解的计算结果将会带来较大的误差。     

复杂应力状态下TBM刀盘裂纹应力强度因子分析

为了预测全断面岩石掘进机(tunnel boring machine,TBM)刀盘的疲劳寿命,本文对其裂纹尖端的应力强度因子进行了研究。以某水利工程的刀盘为研究对象,采用基于子模型技术的有限元法分析复杂应力状态下刀盘裂纹的应力强度因子,并给出了不同裂纹参数对应力强度因子的影响规律,为刀盘裂纹扩展寿命的预测提供输入条件。分析表明,当裂纹位置角为45°或135°时,裂纹尖端的等效应力强度因子最大,对结构损伤最严重;形状比对K_Ⅰ值影响最显著,形状比越大,尖端K_Ⅰ值相差越大,在深度方向的扩展趋势也越强;K_Ⅰ、K_Ⅱ及K_Ⅲ值均随裂纹深度的增加而增大,裂纹尖端最深处以张开型扩展形式为主,而表面点则是3种开裂形式并存。     

法向压缩载荷对Ⅱ型裂纹扩展的影响规律研究

为得到法向压缩载荷对剪切型(Ⅱ型)裂纹开裂角和极限应力强度因子的影响规律,采用含单边裂纹的砂岩试件,在岩石剪切试验系统上对其进行剪切断裂试验研究,通过破坏时的最大剪切载荷计算出Ⅱ型极限应力强度因子,并拟合其与法向压缩载荷之间的关系;最后运用ABAQUS模拟验证本文试验结果。结果表明:法向压缩载荷对裂纹的起裂及扩展起到抑制作用,随着裂纹法向压缩载荷的增大,裂纹起裂角逐渐减小;随着法向压缩载荷增大,岩石Ⅱ型裂纹极限应力强度因子增大。     

有限平板共线裂纹断裂过程的数值模拟和实验研究

采用有限元数值模拟和光弹实验方法分析了各向同性材料共线多裂纹应力场及其强度参量.建立了有限弹性平板内三条共线裂纹计算模型,应用ABAQUS软件的VCCT方法分析计算各向同性材料共线裂纹的裂纹尖端的应力场、应变场分布规律及应力强度因子.并通过光弹实验实测了6061铝板共线裂纹试件的裂纹尖端的应力强度因子.研究结果表明,实验和数值模拟所得的应力云图相似,应力强度因子值基本一致,验证了提出的应力强度因子计算模型的有效性.     

巷道周边裂纹应力强度因子的实验研究

岩爆是深埋地下工程在施工过程中常见的破坏现象,严重影响地下工程的安全施工。岩体裂纹尖端的应力强度因子对岩爆的发生有重要影响。使用一种无损的、全领域的平面应力实验分析技术——光弹性实验技术,通过分析试件的主应力差和主应力方向,并使用数值方法,讨论了当隧道围岩裂纹角度和荷载变化时,其尖端应力强度因子的变化情况。结果表明:1)在单轴压缩荷载作用下,裂纹尖端的应力强度因子随裂纹倾角的增加而增加,到达60°时开始下降,并且当倾角固定时,随荷载增加而增加;2)在围压作用下,倾角为45°时的裂纹为最不利裂纹,其应力强度因子最大。     

考虑接触的斜裂纹动态应力强度因子分析

为了研究含中心穿透斜裂纹的有限板在拉伸冲击载荷下裂纹尖端的动态应力强度因子,本文采用有限元方法建立模型进行系列分析。裂尖的应力奇异性通过1/4节点奇异单元来模拟,应用相互作用积分法计算动态应力强度因子,考虑了裂纹面接触作用、冲击载荷形式、裂纹长度、裂纹角度及裂纹位置等参数的影响,并给出了接触应力随时间的变化曲线。数值结果表明:裂纹面的接触作用可消除负的Ⅰ型动态应力强度因子,接触刚度比摩擦系数的影响明显,载荷形式在总冲量不变的情况下对动态应力强度因子的影响也非常大,而裂纹长度等裂纹参数对Ⅰ型动态应力强度因子的影响比Ⅱ型显著。     

MCTS试件的三维有限元计算断裂分析

为了探讨三维复合型断裂问题,采用ANSYS软件对一种带有倾斜裂纹面的修正紧凑拉剪(MCTS)试件进行了三维断裂有限元分析,并应用修正的虚拟裂纹闭合积分方法(MVCCI),对三维裂纹试件的应力强度因子进行了计算.研究结果表明:该MCTS试件在Ⅰ型、Ⅱ型及Ⅰ+Ⅱ复合型(加载角为45°)加载条件下均产生了Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ复合型断裂...     

含裂隙水预制平面裂隙的启裂理论与试验验证

为研究含裂隙水预制平面裂隙的启裂特性,分别对裂隙张开和闭合两种情况进行理论分析和试验验证。详细阐述裂隙尖端应力强度因子和张开型裂隙启裂角度和启裂强度的理论计算方法,并给出压缩条件下闭合裂隙的起裂强度公式。制作了预制有张开型贯穿裂隙的水泥砂浆试件,进行双轴压缩试验。通过试验对比分析探讨裂隙尖端应力强度因子与裂隙启裂角度随裂隙倾角、水压力和裂隙尖端曲率半径的变化规律,以及裂隙启裂强度与水压力和侧压的关系。结果表明:含水压张开型裂隙Ι型应力强度因子随裂隙倾角的增加而增加,在裂隙倾角为75°时最容易发生Ι型(扩展型)裂纹,随水压力和裂隙尖端曲率半径的增加而减小。剪切型裂隙ΙΙ型应力强度因子随裂隙倾角呈对称分布,在裂隙倾角为45°处取得最大值,与水压力和裂隙尖端曲率半径无关。张开型裂隙的启裂角度随着裂隙倾角、水压力和裂隙尖端曲率半径的增加而减小;启裂强度与水压力成反比,与侧压成正比。本研究结果可为岩土工程中渗透水压作用下裂隙的启裂扩展研究提供参考。     

含裂隙水预制平面裂隙的启裂理论与试验验证

为研究含裂隙水预制平面裂隙的启裂特性,分别对裂隙张开和闭合两种情况进行理论分析和试验验证。详细阐述裂隙尖端应力强度因子和张开型裂隙启裂角度和启裂强度的理论计算方法,并给出压缩条件下闭合裂隙的起裂强度公式。制作了预制有张开型贯穿裂隙的水泥砂浆试件,进行双轴压缩试验。通过试验对比分析探讨裂隙尖端应力强度因子与裂隙启裂角度随裂隙倾角、水压力和裂隙尖端曲率半径的变化规律,以及裂隙启裂强度与水压力和侧压的关系。结果表明:含水压张开型裂隙Ι型应力强度因子随裂隙倾角的增加而增加,在裂隙倾角为75°时最容易发生Ι型(扩展型)裂纹,随水压力和裂隙尖端曲率半径的增加而减小。剪切型裂隙ΙΙ型应力强度因子随裂隙倾角呈对称分布,在裂隙倾角为45°处取得最大值,与水压力和裂隙尖端曲率半径无关。张开型裂隙的启裂角度随着裂隙倾角、水压力和裂隙尖端曲率半径的增加而减小;启裂强度与水压力成反比,与侧压成正比。本研究结果可为岩土工程中渗透水压作用下裂隙的启裂扩展研究提供参考。     

复合型加载条件下扁平巴西圆盘应力强度因子计算方法

复合型裂纹的研究具有重要的工程实用价值。使用解析分析与有限元数值分析相结合的方法,对复合型加载条件下扁平巴西圆盘试件的应力强度因子进行了系统的分析。计算结果表明:在一定载荷分布角范围内,可使用分布载荷作用下巴西圆盘应力强度因子的公式去计算扁平巴西圆盘试件的应力强度因子;在断裂力学中圣维南原理依然成立。根据计算结果,推荐在扁平巴西圆盘断裂实验中使用载荷分布角为7.25°的扁平巴西圆盘试件。     

沥青路面多裂纹温度应力的数值模拟

本文考虑了沥青混合料的粘弹性,基于断裂力学理论,通过有限元数值模拟研究了含多裂纹沥青路面在温度荷载作用下的响应,考察了裂纹间距变化对应力强度因子以及温度应力的影响,结果表明:随着温度降低,基底裂缝的I型应力强度因子逐渐增大;随着裂纹间距的增大,基底裂纹先增大后减小并趋于稳定,表面裂纹尖端的最大压应力亦呈现先增大后减小的趋势,同时对加铺土工布这一阻裂措施利用数值模拟进行了验证.     

基于FE/EFG耦合算法的虚拟裂纹闭合法

在裂纹附近区域采用无网格伽辽金（EFG）节点,其余区域采用常规有限单元（FE）节点进行数值离散并求解,获得含裂纹构件的位移场。在裂纹尖端及其附近设置局部辅助有限单元区域,用于求解裂纹尖端处的2个特征参数：裂纹尖端节点力以及靠近裂纹尖端处裂纹面的位移。由这2个参数得到裂纹尖端处的应变能释放率,进而求得相应的应力强度因子,此方法为计算应力强度因子的EFG虚拟裂纹闭合法。数值算例表明,采用EFG虚拟裂纹闭合法能够有效计算裂纹尖端处的应力强度因子。