基于黏聚型裂纹本构关系的煤岩水力压裂韧性破坏模型

线弹性断裂力学作为一种十分成功的断裂理论框架,已被广泛地应用于表征固体材料中裂纹扩展行为。对于线弹性岩石断裂力学来说,岩石一般被简化为脆性材料,相对于裂纹尺寸及试件尺寸,其裂纹尖端前断裂过程区(Fracture process zone,FPZ)范围很小可以被忽略。而另一方面,煤的破坏形式通常表现为韧性破坏,即其应力峰值后存在明显的应变软化区。对于这种韧性材料,其断裂过程区尺寸范围相对较大且会对材料的断裂行为产生很大的影响,因此线弹性断裂理论不再适用于描述煤体中裂纹扩展。而黏聚型模型(Cohesive zone model,CZM)被证明是一种有效的理论工具,能够描述韧性材料断裂过程区中的断裂行为。在该黏聚型本构模型理论中,裂纹尖端前的断裂过程区被简化为一条闭合的裂纹或闭合的裂纹面(分别对应二维及三维情况),其中断裂过程区内非线性断裂行为通过黏聚力与相对位移之间的本构关系进行表征。通过对煤进行圆盘形紧凑拉伸试验建立了不同煤阶煤(其中包括弱黏煤、气煤、肥煤、贫瘦煤及无烟煤)的黏聚型裂纹本构关系,试验结果表明,随着煤试件煤阶的升高,其初始刚度及峰值载荷逐渐升高,最大张开位移逐渐降低,试验峰后软化阶段载荷-CTOD曲线趋于线性变化且破坏形式逐渐趋于脆性破坏。采用Karihaloo多项式黏聚型本构方程对5种煤阶煤软化曲线进行拟合,得到煤体中黏聚型裂纹模型本构关系的一般形式。针对煤层松软的力学特性和韧性破坏特征,建立了基于黏聚型裂纹本构关系的煤岩水力压裂多场耦合方程组,包括多孔介质变形方程、孔隙渗流方程、裂隙渗流方程及Karihaloo多项式本构关系方程。并采用包含裂隙流水压自由度的黏聚型界面单元法进行数值模拟。结合大型真三轴水力压裂实验,验证所得煤岩水力压裂模型的正确性;根据数值模拟和物理实验结果,讨论了煤岩松软的力学特性及其裂纹尖端过程区对水力压裂的影响。     

高强度锚杆尾部螺纹断裂受力分析

针对高强度高预紧力锚杆支护技术在应用过程中存在锚杆尾部螺纹脆性断裂的问题,分析了锚杆螺纹断裂形式和原因,建立了锚杆尾部螺纹受力模型。根据断裂力学理论,得出裂纹应力强度因子大小表达式,并利用K准则,计算出在不同轴力和不同角度条件下锚杆发生断裂时裂纹临界尺寸ac大小,并提出了防止锚杆尾部螺纹脆断的措施。     

罐笼连杆断裂韧性分析

前言随着科学技术的飞跃发展,高强度钢制零件及中低碳钢制大型结构件的使用日益普遍,低应力脆断现象亦相应增加,因此迫使人们去认识并解决带裂纹构件的使用以及防止裂纹失稳扩展等问题。本文就瑞典HSEC-1.7×6多绳提升罐笼内含裂纹的连杆,应用断裂力学的方法进行安全性计算,寿命估算及裂纹扩展速率曲线(Lg da/dN-Lg△K)的使用范围和裂纹临界     

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。     

煤层底板导升突水机理研究

为了进一步认识底板突水破坏机理,将底板隔水层简化为弹性梁,在考虑承压水作用的情况下,运用材料力学理论计算得出采场隔水层底界面由压缩区向卸压膨胀区过渡的岩体最易发生损伤破坏。在此基础上,运用损伤力学理论分析给出了临界损伤变量Dc。运用断裂力学理论建立断裂力学模型,并给出采场隔水层承压水导升裂纹端部应力集中系数的计算公式。最后,从损伤断裂能量角度对裂纹扩展进行了分析,通过简化参数,建立了形成初始宏观裂纹损伤断裂能量释放率计算公式,并分析了初始裂纹损伤断裂能量释放率与其各影响参数的关系,可为底板突水预测预报研究提供理论依据。     

钢纤维混凝土的增强机理与断裂力学模型研究

钢纤维因其能为基体裂纹提供桥联而经常被用于增强水泥基材料。为了更好地了解钢纤维混凝土这类复合材料的断裂行为，重点讨论了钢纤维混凝土的增强机理以及裂纹尖端微裂区的力学行为。在一系列理论分析与实验观察的基础上，提出了一个新的钢纤维混凝土材料断裂力学模型，给出了一些有工程实用价值的结论。     

巷道冲击地压的损伤断裂力学模型

分析了平巷煤壁中预存裂纹尖端产生翼型张裂纹，形成薄煤层壳，薄煤层壳弯曲变形失稳引发冲击地压的机理。分析过程采用了断裂力学中的Griffth能量理论及能量判据，考虑了材料的损伤积累，把裂纹扩展过程与材料损伤过程耦合起来，确定了发生冲击地压的临界应力σc，并分析了其影响因素。     

煤体基质热开裂增透模型

温度变化对煤体损伤与破裂具有重要影响。温度变化导致非均质煤体内部产生热膨胀失配各向异性力,打破微裂纹临界受力平衡,引发煤体基质热开裂,继而导致煤体渗透率增大。从断裂力学理论出发,建立了煤体基质中单一微裂纹源热开裂的细观断裂力学模型,推导了微裂纹热开裂的临界裂纹尺寸,分析指出煤体温度变化越大,热开裂临界裂纹尺寸越小,即小裂纹越趋向于发育。引入微裂纹特征尺寸和孔径分形维数对煤体基质中单一微裂纹和空间裂纹网络进行表征,计算获得了煤体中微裂纹特征尺寸的分形维数,建立了煤体基质空间裂纹云的分形表征方法。以球形微孔为例,定义了热开裂增透因子,建立了基质热开裂增透力学模型,模型显示,随着煤体升温梯度增大,渗透率增透因子增大,基质渗透率增大效果越明显。最后对不同加热处理后的平顶山矿煤样和金佳矿煤样开展了压汞实验,加热温度分别为25,50,75和100℃,获得煤中微孔结构随温度的演化规律:煤体基质孔隙度随处理温度的增大而增大,孔径分形维数随处理温度线性增大,表明随着温度梯度的增大,煤体热开裂现象增强,基质渗透率增大。     

钻杆的疲劳寿命计算

采用断裂力学理论，对表面半椭圆、表面线性、深埋椭圆以及深埋圆形等４种裂纹钻杆的临界裂纹尺寸和疲劳寿命进行计算，并通过实例说明严格检验钻杆和减小弯曲应力对提高钻杆使用寿命的重要性。     

关于岩石切削的有限元摸拟分析

本文建立了切削岩石等脆性材料的力学模型，采用有限元法对切削时产生的力学状态进行了分析。且对刀刃压入后裂纹的产生和扩展的初期阶段进行了摸拟。分析中根据莫尔强度理论，以相对破坏限接近度为指标来判断被削材料的破坏。结果认为：对内部缺陷较少的材料。以应力基准判定裂纹的产生是可行的；裂纹的类型与材料的脆性度有关。切削阻力随切入深度增大呈非线性增加；裂纹扩展的初期路径也与实际切削实验时产生的现象相符。     

瓦斯压力作用下煤岩裂纹扩展机理研究

瓦斯压力作用下煤岩裂纹扩展是煤与瓦斯突出的必经环节。利用断裂力学方法对裂纹扩展机理进行了研究,首先给出了裂纹内作用有瓦斯压力时裂纹表面的正应力和剪应力表达式,然后分拉剪破坏和压剪破坏两种情况分析了裂纹扩展方向、临界瓦斯压力与侧压系数之间的关系。研究表明,对于拉剪裂纹,裂纹方向与最大主应力方向一致时最易扩展;对于压剪裂纹,压剪参数与摩擦系数的差值决定裂纹的扩展方向。     

损伤岩体中的裂纹亚临界扩展区半径

根据断裂力学理论,通过对Ⅰ型、Ⅱ型裂纹尖端应力进行叠加,得出拉剪裂纹缝端的应力表达式.然后选定最大剪应力判据为裂纹的开展判据,在此基础上代入一改进的损伤岩体强度公式,推导出一新的裂纹亚临界扩展区,并图示该区域的范围.将此裂纹亚临界扩展区与Mises屈服准则的推导结果作比较,并得出一些结论.     

基于物联网技术的桥式起重机剩余寿命评估系统

以桥式起重机为研究对象,针对其使用情况的随机性和不确定性,采用物联网技术实时记录载荷量及循环次数,形成疲劳应力谱。以雨流计数法和Miner等效法理论为基础,获得桥式起重机的等效应力幅。运用曲线回归模型刻画裂纹尺寸与等效应力幅的相关关系,实现对裂纹尺寸的实时预测。将回归预测获得的当前裂纹尺寸带入断裂力学公式中,对桥式起重机的疲劳剩余寿命加以估算。经实例验证,将物联网技术和回归预测技术应用于数据收集和裂纹尺寸预测,具有简便、实用的特点,不仅能够准确快速地估算构件的疲劳剩余寿命,而且还可以克服断裂力学中要求具有初始裂纹尺寸的弊端。     

大型焊接构件疲劳寿命评估系统

运用断裂力学有关应力强度因子理论,提出用断裂率Kt以及载荷率St为失效双判据的缺陷评定图对含裂纹焊接构件进行安全评定。以Paris公式为理论依据,对含裂纹焊接构件剩余寿命预测系统进行了设计和实现。该系统分为4个模块：数据采集模块、裂纹临界尺寸计算模块、FAD缺陷评定模块、安全评定结果输出模块。系统能够根据给定的数据对含裂纹大型焊接构件进行快速有效的评估分析、合理评价以及寿命预测。     

空场法矿柱破坏规律及稳定性分析

为预测空场法采矿时矿柱破坏规律及失稳分析,运用断裂力学及突变理论建立了矿柱失稳的尖点突变模型.将开采厚度远小于采场跨度的空场法采场假定为无限大板上相隔一定间距的共线裂纹,采用断裂力学Ⅰ型裂纹模型,得出了矿柱破坏宽度的计算公式;基于突变理论以失稳阻抗因子和矿柱破坏发展因子为控制变量,矿柱应力强度比Fq为状态变量建立了矿柱失稳的尖点突变模型,研究表明:当Fq>1,矿柱会发生失稳;当Fq<1时,矿柱不会发生失稳.实例分析表明利用该模型对矿柱稳定性进行分析,其结果满足工程要求.     

围压效应下煤岩组合体破坏与裂纹发育的细观模拟

为研究不同围压下煤岩组合体破坏和裂纹发育的特征及两者的关系,利用PFC2D对组合体进行了不同围压下的模拟研究。结果表明,随着围压的升高,组合体破坏由脆性转为延性;破坏前剪切裂纹的快速发育是脆性转延性破坏的直接原因;不同围压下煤岩组合体以煤体剪切破坏为主,破坏前剪切裂纹在张拉裂隙面附近快速扩展、发育,占据主导地位,导致了组合体的剪切破坏。     

岩石的断裂韧性及循环荷载试验

过去我们用断裂力学理论分析了锚喷支护原理(详见本刊1982年第2期《用断裂力学理论探讨锚喷支护原理》),提出巷道围岩变形破坏的过程可分为三个阶段,即:固有裂纹的活化与稳定扩展;裂纹的分叉与交接;裂纹的急速扩展、多组裂纹互相贯通形成危岩掉落。为了定量分析这个问题,我们对岩石破坏的断裂韧性和裂纹扩展速率做了试验。     

用断裂力学理论探讨锚喷支护原理

断裂力学的基本观点认为一切材料都是含有一定缺陷和裂纹的裂纹体,物体的破坏就是裂纹逐步扩展的结果。这个假设对于研究锚喷支护是适用的。目前钻眼爆破仍是巷道掘进的主要方法,爆破时炮眼周围的岩体在高温高压气体作用下,在一定范围内产生裂隙。在岩体内部还存在有原生和次生裂隙,喷射混凝土层由于喷射质量和混凝土收缩等原因,它的内部也存在着孔洞和裂隙,这些裂隙就是变形破坏的源点。岩体与支护的破坏表现为裂纹的扩展、增加新的裂纹面及裂纹贯通造成岩体失稳。显然,裂纹在扩展过程中是要消耗能量的,     

基于岩石损伤破坏和声发射理论的岩爆发生机理

岩石等脆性材料在加载过程中，随着载荷的增加，材料内部的微裂纹产生、扩展并伴随着声发射现象的发生。声发射是研究脆性材料损伤演化的良好工具，它能连续、实时地监测脆性物体内部微裂纹的产生与扩展，这是其他任何方法都不具有的优势。采用岩石声发射测试技术，对不同孔隙率的岩石的岩爆机理进行了系统的试验研究；利用统计规律和连续损伤力学理论建立了声发射与损伤变量之间线性关系式；用不同孔隙率的大理岩进行了双轴压缩试验。试验模拟了双向受力状态下的岩爆，研究了其破坏过程中的声发射特征，并从岩石损伤的角度分析了岩爆的发生机制。研究表明，采用岩石声发射测试技术追踪岩爆的产生和发展过程，是进行岩爆机理研究的一种科学、有效的方法。     

含裂纹缺陷的脆性材料冲击三点弯曲试验

为研究冲击动态载荷作用下,含裂纹缺陷的脆性材料动态断裂行为。采用数字激光动态焦散线实验系统和自主设计的落锤冲击加载平台,记录了含不同裂纹缺陷的有机玻璃(PMMA)试件在落锤冲击作用下的破坏形态和破坏过程,分析了运动裂纹扩展过程中的动态应力强度因子和速度的变化趋势。结果表明:试件中的裂纹缺陷对运动裂纹的扩展具有导向作用。不同倾角的裂纹缺陷对运动裂纹扩展的作用效应也不相同;其中,倾斜裂纹缺陷和水平裂纹缺陷对运动裂纹的扩展具有明显的抑制效应。