拉伸载荷作用下裂纹扩展及应力强度因子计算

拉伸载荷是造成材料破坏的主要载荷形式。对于含初始裂纹的材料,在拉伸载荷作用下裂纹的扩展路径对材料的破坏形式起着非常关键的作用。断裂力学认为不同形式的裂纹在不同的外力作用下其扩展的路径是有很大差别的,本文根据断裂力学的基本原理,利用数值流形方法对拉伸载荷作用下方形岩石试件中的中心及单边水平裂纹、中心及单边斜裂纹的裂纹扩展路径进行了模拟,并对裂纹扩展过程中的应力强度因子进行了计算,发现这些裂纹扩展都是非稳定扩展。最后还利用该方法对这四种模型的裂纹尖端应力强度因子进行了计算,结果表明裂纹尖端应力强度因子最大计算误差仅为6.8%,且斜裂纹的误差要稍大于水平裂纹的误差。     

爆炸载荷下缺陷介质裂纹扩展的动焦散试验

应用动态焦散线测试系统,模拟含缺陷岩体爆破过程,进行了PMMA（有机玻璃）模型透射式动态焦散线试验,着重研究了与预制裂隙共线的炮孔爆炸作用下裂纹扩展的规律.试验结果表明,爆炸载荷下裂隙两端分别产生了1条翼裂纹A和B,翼裂纹A的长度大于翼裂纹B的长度,2条翼裂纹向相反的方向扩展;随着翼裂纹长度的增加,裂纹扩展速度出现快速增加,减少,再增加,再减少的振荡过程;翼裂纹扩展加速度也始终存在着加速与减速不断交替变化的现象;翼裂纹尖端动态应力强度因子呈快速增大到逐渐减小连续振荡变化的趋势,动态应力强度因子K^d_Ⅰ最大值为1.3 MN/ m^3/2,K^d_Ⅰ一直大于K^d_Ⅱ.     

爆炸荷载下含预裂缝的裂纹扩展实验研究

预裂爆破技术目前广泛应用于爆破工程中,为了探究预裂爆破形成的预裂缝对爆生裂纹和原生裂纹动态断裂特性的影响,基于数字激光动态焦散线实验开展了一系列研究,获得了裂纹扩展的时实动力学参数。研究结果表明:预裂爆破形成的预裂缝可以阻挡爆生裂纹向保留岩体内扩展,加大被爆岩体的损伤;其两端产生的翼裂纹向保留岩体扩展,且扩展长度随着预裂缝长度的增加而增大;长度较短的预裂缝(L=20~80 mm),对保留岩体内原生裂纹扩展有促进作用,只有当预裂缝长度增加到一定程度(L=100 mm),才会对保留岩体内原生裂纹扩展有抑制作用,预裂缝A长度L=100 mm时,其B裂纹扩展长度为无预裂缝A模型时的21%,Bz和By扩展速度均值为无预裂缝A时的0和64.8%;当有预裂缝存在时,原生裂纹两端翼裂纹的起裂时间随着预裂缝长度增加而增加,当预裂缝长度增加到一定程度(L=100 mm),迎爆侧翼裂纹没有起裂,By起裂时间推迟到和无预裂缝时一样的150 μs;原生裂纹迎爆侧翼裂纹断裂韧度小于背爆侧断裂韧度;当有预裂缝存在时,原生裂纹两端起裂韧度均小于无预裂缝时的起裂韧度,且随着预裂缝长度增加迎爆侧翼裂纹起裂韧度降低;原生裂纹两端应力强度因子峰值随着预裂缝长度增加而减小。     

冲击荷载下PMMA裂纹扩展的实验及数值模拟

利用非线性动力学有限元软件ABAQUS中的内聚力模型(CZM),对PMMA试件在冲击载荷下的裂纹扩展进行了数值分析研究,将数值分析结果与PMMA的三点弯曲实验结果对比,获得了裂纹扩展长度-时间、扩展速度-时间及动态应力强度因子-时间变化曲线。     

爆炸载荷作用下相向裂纹扩展行为的实验研究

采用数字激光动态焦散线实验系统,研究爆炸载荷作用下两相向扩展裂纹的动态特征及其相互作用关系。结果表明:相向运动裂纹的扩展过程分为3个阶段:独立扩展、相互排斥、相互吸引,最终形成彼此勾连的形态,在实验范围内不受两裂纹初始竖向距离的影响而改变;裂纹在扩展过程中发生相互作用时其扩展速度发生突跃,此时两裂纹尖端的水平距离随裂纹初始竖向间距的增大而减小;随着两裂纹初始竖向间距的改变,两裂纹开始相互作用时其裂尖距都在56~70 mm之间;两裂纹竖向偏移距离最大位置对应于裂纹尖端水平距离为0的时刻,两相向运动裂纹初始间距越大,裂尖在竖向方向的偏移距离越小。     

冲击载荷作用下含孔洞缺陷介质断裂行为研究

采用新型数字激光动态焦散线试验系统,对含孔洞缺陷和预制边裂纹的半圆盘试件进行了三点弯曲动态冲击实验。实验结果表明:在动态冲击载荷作用下,试件边裂纹处的应力集中程度较试件内部的孔洞缺陷处的应力集中程度更加显著;当孔洞位于裂纹前方时,孔洞对裂纹的扩展速度有抑制作用,且这种抑制作用随着孔洞与边裂纹尖端距离的增加有所减弱;当裂纹再次从孔洞处起裂时,裂纹的扩展速度和应力强度因子和裂纹与孔洞贯通前相比,均出现较大的上升,试件S1、S2中,裂纹扩展速度分别上升了1070%、138%,相应的裂纹尖端应力强度因子分别上升了61%、67%;裂纹的扩展速度与裂纹尖端的应力强度因子呈一定的正相关性,但受裂纹前方附近孔洞周围应力场的影响,裂纹尖端的应力强度因子有一定提高。     

基于裂纹闭合效应的疲劳裂纹扩展特性研究

依据线弹性力学理论对30NCD材料的裂纹扩展特性进行了研究,研究表明Paris公式能够很好地描述疲劳裂纹稳定扩展阶段的疲劳裂纹扩展速率da/d N与应力强度因子幅度ΔK之间的关系,稳定扩展段的疲劳裂纹扩展参数m=2.5~4,与绝大多数金属材料的疲劳裂纹扩展参数m=2~4的统计结果相符;NASGRO公式能较好地描述该材料从疲劳裂纹门槛值到高速裂纹扩展速率范围内的3种应力比的da/d N与ΔK关系。由裂纹闭合效应获得的有效应力强度因子范围与da/d N的关系表明:3种应力比下的所有数据都较好地关联在同一曲线上,裂纹闭合是引起应力比和裂纹扩展速率相关的主要原因,随着应力比增加,裂纹闭合程度减弱。     

单轴压缩下预制端部节理岩桥变形破坏及裂隙扩展机制研究

边坡岩体内岩桥对边坡稳定性具有控制作用,为探究节理岩桥变形破坏特征及裂隙扩展机制,通过在完整试样端部预制裂隙以形成中部岩桥,并结合数字图像相关技术,分析了岩桥裂隙起裂、扩展、贯通规律及微观损伤演化特征,同时利用断裂力学理论揭示了岩桥裂隙扩展机制。结果表明:岩桥试样破裂过程划分为5个阶段,且应力-应变曲线出现"峰前波动"和"峰后阶梯式"下降特征;岩桥试样破坏过程为下部倾斜裂隙首先起裂,而后偏转一定角度向上扩展,且裂隙是逐级扩展的;岩桥试样的破坏都是由其前期的损伤累积所导致,裂隙尖端形成的局部高应变区域变化预示了宏观裂隙的扩展路径。推导了裂隙尖端应力强度因子表达式,计算了裂隙起裂角,理论与试验结果基本一致。     

爆炸荷载作用下共线不等长双裂纹拓展规律研究

为研究爆破应力波作用下裂隙岩体破坏规律,基于经典Kachanov法,推导共线不等长裂纹尖端静态应力强度因子,结合断裂力学原理得出动载荷作用下耦合应力强度因子与比例系数的关系,并通过模型试验对不同应力波入射角、不同裂纹长度、不同裂纹间距等情况进行验证。试验结果表明,应力波入射角、共线裂纹长度及裂纹间距是影响裂纹拓展的重要因素;裂尖起裂角随应力波入射角的不同而变化;端部比例系数与裂纹拓展长度变化趋势相同;次裂纹长度越大、裂纹间距越小,裂尖拓展长度越长;当间距大于1.2倍次裂纹长度,不再影响裂尖拓展。     

初始压应力场对爆生裂纹行为演化效应的实验研究

采用自主设计的动静组合加载系统,实现了在模型试件中产生静态应力场和爆炸动应力场,并对动静组合应力场中爆生裂纹的扩展行为演化特征进行焦散线实验研究,探讨初始应力场对爆生裂纹扩展规律的影响效应。通过对四周施加均布载荷和不施加载荷的两组试件进行实验,对比分析两组试件中爆生裂纹的扩展长度、速度和裂纹尖端动态应力强度因子随时间的变化规律,发现在垂直于裂纹扩展方向的压应力降低了裂纹尖端的应力集中程度,阻碍了裂纹的扩展,而平行于裂纹扩展方向的压应力对裂纹的扩展基本没有影响。     

爆炸载荷裂纹扩展的应力强度因子及其断裂行为

为进一步对爆炸作用下裂纹扩展问题进行定量分析,提出采用动焦散实验方法研究爆炸载荷的裂纹扩展机理,为研究岩石爆破机理提供了一种新的有效实验方法。使用切缝药卷的定向断裂形成初始裂纹,采用透明材料进行了爆炸加载的透射动焦散实验。研究了爆炸载荷下的裂纹起裂、发展和止裂的动态扩展行为,分析了其破坏模式、动态应力强度因子及裂纹扩展速度。     

含倾斜边裂纹岩石冲击断裂模拟试验

为模拟岩石在冲击荷载下,裂纹与加载方向不同角度情况下的断裂行为,利用透射式焦散线测试系统,采用单边切口三点弯曲梁试件,进行三点弯曲梁冲击断裂试验。研究结果表明：含倾斜边裂纹试件受到正应力和剪切力作用,裂纹为复合型裂纹,裂尖产生的焦散斑为复合型焦散斑;预制裂纹与加载方向的夹角变化时,动态应力强度因子、裂纹扩展时间以及裂纹扩展速度都随之变化;预制裂纹与加载方向的夹角增大时,裂纹扩展速度的最大值增大,裂纹扩展速度的振荡性增强;当荷载的加载方向与预制裂纹的方向一致时,裂纹起裂最快,裂纹为I型裂纹。冲击载荷方向与预制裂纹夹角增大时,扩展裂纹表现为复合型特征,动态应力强度因子KdⅡ表现越明显,其最大值随夹角的增大而增大。     

考虑闭合效应下基于曲线扩展路径的劈裂模型研究

深部围岩常常产生较深的劈裂破坏区。针对这一现象,引入表征体积单元,考虑原生裂隙的闭合效应,采用双曲线模拟翼裂纹扩展路径,建立了基于曲线扩展路径的劈裂破坏模型。从微观角度出发,运用应力强度因子、最大周向拉应变理论推导了劈裂裂缝扩展演化方程,提出了劈裂破坏的预测新方法。采用FISH语言,将方程内嵌入FLAC软件中,使新方法程序化。新模型与Lajtai经验公式计算结果具有很好的一致性。与旧模型相比,新模型计算结果具有更高的精度,最大相对误差减小量为25.5%。     

双孔爆炸应力波作用下缺陷介质裂纹扩展的动焦散试验

利用爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统(DLDC),研究了两切槽炮孔爆破爆生主裂纹和由预制缺陷尖端衍生的次裂纹扩展的动态力学行为。研究结果表明,两切槽炮孔同时起爆后,爆生主裂纹没有相互交汇贯通而是止于预制裂纹断面处,表明缺陷对定向断裂控制爆破效果有着重要的影响;次裂纹与主裂纹并没有直接贯通,而是呈"勾连状"的止于对方裂纹面上。与水平预制缺陷相比,垂直预制缺陷对主裂纹的扩展影响更大,其次裂纹在拉伸应力场的作用下而以I型扩展;当膨胀P波与运动着的裂纹相互作用时,裂纹扩展速度和裂尖动态应力强度因子都减小。     

Analysis of local fractures and crack growth in coal seams under compression

An analysis is performed for the effect that a growing rock pressure in stress concentration zones has on development of local fractures of coal due to stratal water, and on closing-up of bedding joints, which confines this process. It is shown that all of unstable cracks in a seam grow dynamically until the related bedding crack closing-up. __________ Translated from Fiziko-Tekhnicheskie Problemy Razrabotki Poleznykh Iskopaemykh, No. 2, pp. 3–9, March–April, 2006.     

爆炸荷载对邻近巷道背爆侧裂纹的影响规律

为了探究爆炸应力波对邻近巷道背爆侧隐性裂纹的影响规律,采用爆炸加载透射式动态焦散线系统,进行了试验研究。试验结果表明:在爆炸荷载作用下,邻近巷道围岩中存在裂纹缺陷的背爆侧也成为主要扰动区,且扰动大小与裂纹距巷道距离和裂纹长度有关;当裂纹长度为5 mm,裂纹与巷道间距分别为2,3,4和5 mm时,裂纹扩展过程中动态应力强度因子变化曲线呈现相似的规律,即当裂纹与巷道贯穿后快速增大到第1峰值,然后在峰值上下持续振荡一段时间后减小到0,所不同的是,在峰值上下振荡性变化的持续时间和期间的最大值逐渐减小,最大值依次为1.651,1.572,1.419和1.346 MN/m3/2,这决定了裂纹远端的最终扩展位移对应为25.197,16.378,10.236和5.984 mm,呈逐渐减小的规律;裂纹与巷道间距的存在不仅对裂纹的扩展有一定的延迟作用,而且削弱了作用于裂纹远端的应力波能,并且这种延迟和削弱作用随裂纹与巷道间距的增大逐渐增强。     

动静荷载下巷道围岩倾斜裂纹的动焦散试验

利用爆炸加载动态焦散线测试系统,采用PMMA材料加工模型试件,进行裂纹扩展规律的动焦散试验研究。结果表明:预制裂纹b端在应力波作用下起裂,扩展轨迹出现翘曲变化的现象,大体上沿水平方向扩展;裂纹b端扩展位移随倾角θ呈现增大和减小交替变化的规律,在-45°~45°内,扩展位移曲线大体上关于直线θ=0°对称,在-75°~-45°和45°~75°内,位移曲线呈现较大差别;扩展位移曲线在θ=-45°,θ=0°和θ=60°处达到峰值,分别为22,31,36 mm,在θ=±30°处达到低谷值9 mm和11 mm;应力强度因子KⅠd变化曲线和能量释放率G变化曲线具有相似的变化规律,均先达到峰值,后反复振荡变化、多次出现峰值;KⅠd值和G值与能量紧密相关,当两者的数值相对较大时,相应裂纹扩展位移较大,反之,裂纹扩展位移较小。