基于扩展有限元的巴西圆盘动态裂缝扩展分析

应用ABAQUS扩展有限元方法模拟了冲击荷载下含预设裂纹混凝土巴西圆盘的裂纹扩展、贯通情况,分析了其应力场分布规律和不同网格算法对裂纹扩展路径的影响.算例表明：含有初始切槽的巴西圆盘Ⅰ型裂纹从裂尖最先起裂沿着直径方向扩展,网格算法对扩展路径几乎没有影响,离散性较小;ABAQUS平台的XFEM能够正确捕捉裂纹开裂的位置以及扩展的路径,具有广阔的工程应用前景.     

冲击荷载下多裂纹混凝土梁破坏模拟

拓展虚内键(Augmented Virtual Internal Bond,AVIB)是基于虚内键理论的一种多尺度力学模型,采用Xu-Needleman势函数来描述虚内键中的能量势,将脆性材料的断裂问题归结为虚内键能量势的问题,由于势函数中已经包含了材料的微观断裂机理,不需要额外的断裂准则,因此在模拟脆性材料断裂方面具有显著的优势。采用AVIB模型对多裂纹简支梁在冲击荷载作用下裂纹的扩展过程进行了数值模拟,模拟结果表明当冲击点荷载达到最大值时,梁中裂纹开始起裂,对称双裂纹梁形成两条主裂纹并同时向冲击点扩展,梁呈对称破坏模式;非对称双裂纹以及对称多裂纹梁均形成一条主裂纹,并向冲击点扩展,直到梁发生断裂,呈非对称破坏模式。     

含裂纹岩石巴西圆盘试件在冲击载荷下断裂参数的有限元计算

采用LS-DYNA有限元软件,对含中心裂纹的岩石巴西圆盘试件在冲击压缩荷载作用下的变形过程进行数值分析。基于虚拟裂纹闭合技术,提出在冲击载荷作用下裂纹结构能量释放率和动态应力强度因子的计算方法,得到巴西盘试件的能量释放率和应力强度因子与时间的关系曲线,并给出不同冲击速率对该曲线的影响。对含中心裂纹的岩石巴西盘试件在冲击压缩荷载作用下I型断裂参数与II型断裂参数的时间历程曲线进行比较。计算结果表明：在相同冲击速度下,在同一时刻II型断裂参数的数值比I型断裂参数小几个量级,含中心裂纹的巴西盘试件可作为I型断裂模型处理。     

冲击荷载作用下的I/II复合型裂纹扩展规律研究

 为了研究纯I和I/II复合型裂纹在冲击荷载作用下的动态断裂行为,基于提出的单裂纹半孔板(SCSC)构型和大直径分离式霍普金森压杆设备,使用2种石材进行岩石的纯I和I/II复合型的动态断裂实验;同时,实验中使用新装置(裂纹扩展计和高速摄影系统)来监测裂纹的扩展速度。为了检验实验结论,基于Drucker-Prager强度模型和累积损伤失效准则,建立针对纯I和I/II复合型裂纹的数值模型,并使用AUTODYN软件来模拟裂纹的扩展行为。总体上,由数值模拟得到的裂纹扩展路径和实验结果十分吻合。研究结果表明,在裂纹扩展的过程中,其扩展速度是一个变化量,甚至有可能停滞,也就是说可能出现止裂现象;同时,CPG和高速摄影系统都可以很好的反映出此现象,并且高速摄影系统更加直观,说明在动态断裂研究中是适用的,同时给出纯I型动态断裂实验裂纹扩展速度特征,供工程参考。     

冲击荷载作用下砂岩动态力学性能与耗能规律

采用直径为Ф50 mm的分离式霍普金森压杆试验装置对砂岩进行动态冲击试验,研究砂岩在不同冲击荷载作用下的动态力学响应及耗能规律。结果表明:应力-应变曲线峰值随冲击荷载增加而渐进性增大,且出现“滞后”现象;岩石材料的破碎特征有明显的率相关性,随着平均应变率的增大,单位体积吸收能越高,岩石碎块的大块占比越小,砂岩的试样的破碎程度越大。     

冲击荷载作用下地铁隧道盾构管片破坏特性

为了研究冲击荷载下地铁隧道盾构管片的破坏特性,采用轻气炮试验和动力有限元数值模拟相结合的研究方法,对冲击荷载下盾构管片的破坏情况进行分析,通过分析管片单元的应力状态研究了冲击荷载下盾构管片的破坏机理。结果表明：以冲击位置为中心,盾构管片试件表面径向主要受压,环向主要受拉,相同位置压应变大于拉应变;不同速度子弹冲击下,管片正面冲击坑水平方向及竖直方向尺寸相差不大;随着子弹速度的增加,管片正面冲击坑尺寸不断增大,冲击坑的深度不断增加,冲击坑等效直径增长随子弹冲击速度增加呈“三段式”;沿着子弹冲击方向,盾构管片试件单元应力状态从三向受压变化到三向受拉,盾构管片冲击正面混凝土受压破碎,盾构管片冲击背面发生受拉破坏。研究结果可为管片抗冲击设计提供一定的理论基础。     

用非连续变形分析方法模拟岩石裂纹扩展

提出一种用非连续变形分析方法模拟岩石裂纹扩展的方法。将计算区域自动剖分成三角形块体单元,块体边界分为真实的节理边界和虚拟节理边界。裂纹扩展沿虚拟节理进行,按照界面破裂准则进行裂纹扩展分析。该方法可以模拟裂纹萌生、扩展、贯通和岩体破碎全过程,适用于完整岩石、断续岩体乃至完全不连续岩体等任意情形。由于该方法基于离散颗粒数值模型,其计算过程不会遇到数学上的困难。根据所提算法,编制VC＋＋程序模块,并计算几个算例。模拟结果与已有的物理、数值试验结果吻合得较好,表明所提算法是有效的。     

均布冲击荷载作用下金属方板的变形与起裂研究

基于接触爆炸荷载作用下的金属薄板试验,利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,分析均布冲击荷载作用下固支方板和单向支承方板的动力响应过程、最终变形、起裂和耗能。结果表明,边界条件对方板的动力响应和起裂有重要影响：固支方板的起裂位置为边界中点,而单向支承方板的起裂位置为角点附近;单向支承板边界产生较大的面内位移,在相同荷载作用下,其最终中心挠度、动力响应时间和变形耗能均比固支板大;单向支承方板的起裂冲量比固支方板可提高50%以上。     

冲击荷载作用下含裂纹的钢筋混凝土梁动力响应及裂纹扩展分析

含裂纹的钢筋混凝土梁在冲击荷载作用下的冲击响应是一个复杂的非线性过程。采用最大主应力准则作为混凝土的开裂准则。利用ABAQUS建立了冲击荷载下含裂纹的钢筋混凝土梁的三维模型,其中,混凝土梁采用三维实体单元,钢筋采用桁架单元,不考虑钢筋与混凝土之间的黏结滑移。通过沙漏能控制确保数值模拟方案的精确性与合理性。通过改变冲击速度、冲击块质量和配筋率等参数,得到这些参数对冲击作用下含跨中裂纹的钢筋混凝土梁的动力响应与裂纹扩展的影响,揭示冲击响应与裂纹扩展随参数变化规律。结果表明:随着冲击速度、冲击块质量的增大,钢筋混凝土梁激起的响应越剧烈;配筋率的提高可以增加钢筋混凝土梁的抗冲击性能;裂纹为非均速发展,前期裂纹发展速度较快,后期扩展速率较慢;提高配筋率可以抑制裂纹的发展。     

不同加载率作用下双材料巴西圆盘动态抗拉强度试验研究

水泥砂浆广泛应用于岩石工程中,如巷道锚喷支护及山体滑坡注浆加固等,由于温度变化,岩石与砂浆之间的过渡区容易形成微裂隙薄弱区,同时地下岩体结构又常常承受着动载荷的作用,如爆破、冲击及地震等,因此研究岩石与水泥砂浆界面过渡区(interface transition zone,ITZ)的强度及其破坏特征具有重要的意义。为此提出了岩石–砂浆双材料巴西圆盘构型,采用分离式霍普金森压杆系统对两种界面粗糙度(光滑和粗糙)的双材料巴西圆盘进行了冲击实验;同时,为了比较单一材料与双材料破坏性能的差异,还制备了单一花岗岩、砂岩和砂浆的巴西圆盘试样。为了克服双材料巴西圆盘的应力分布不均匀的问题,使用实验–数值法确定了其中心抗拉强度。并且,采用Python语言建立了两种试件批量嵌入cohesive单元的数值模型模拟双材料试件ITZ的失效过程。结果表明:(1)当动态加载率相同的条件下,双材料界面粗糙度对试件的应变率影响不大,但对试件抗拉强度影响较大;(2)相比于花岗岩–砂浆试件,界面粗糙度对砂岩–砂浆试件动态初始抗拉强度影响更大;(3)基于数值模型得出圆盘模型中心处存在切应力τ_xy,但拉...     

大理岩动态劈裂试样的破坏应变

脆性材料基于应变的强度准则逐渐受到重视,为研究岩石在动态拉伸条件下的破坏应变规律,利用分离式Hopkinson压杆对不同尺寸的大理岩巴西圆盘和带平台的巴西圆盘进行宽应变率范围的动态劈裂试验。研究不同类型的试样在不同应变率下的破坏应变,讨论试样尺寸、弹速、应变率对破坏应变的影响,得到了一些有益的结论:(1)大理岩的破坏应变随撞击压杆的弹速提高而增大,在一定的弹速范围内破坏应变增加趋势明显,而在此范围外破坏应变增幅很小;(2)试样尺寸对岩石的动态破坏应变的影响受弹速的影响比较显著;(3)在低应变率下,大理岩的动态破坏应变随着应变率的提高而显著增大,而带平台的试样的增加幅度更大,且数据的分散性也较小;当应变率较大时,应变率对破坏应变的影响较小,应变增幅较小,各类试样数据的分散程度都有所降低;(4)和巴西圆盘相比,在低应变率下平台巴西圆盘具有更大的承载力和更高的破坏应变,但是随着弹速的增加,平台巴西圆盘的趋势逐渐减少;当弹速大于某一数值时,其破坏应变反而小于巴西圆盘的破坏应变。     

非连续变形分析方法模拟千将坪滑坡启动与滑坡全过程

2003年7月13日,位于长江支流青干河左岸的秭归县千将坪村发生巨型基岩滑坡。滑坡体总体积约2.04×107 m3。因千将坪滑坡位于三峡库区,且是在三峡水库首次蓄水至135 m水位后不到2周时间内发生的,其滑坡体地质特征以及成因机制受到社会各界关注。在对千将坪滑坡特征、基本地质条件与力学参数进行调查和研究基础上,利用非连续变形分析方法兼有真实时间模拟和非连续大变形问题分析于一体的优势,研究用非连续变形分析数值模型反映滑坡启动的识别方法,并对该滑坡体的启动条件和滑坡全过程特征进行数值模拟。分析结果表明,千将坪滑坡启动的原因主要是降雨以及库水位上升使得滑坡体控制性滑面力学参数降低所致;滑坡类型为由上部变形错动引起的推移式滑坡;由非连续变形分析方法模拟得到的滑坡最大滑移速度及上部最大滑动错距与实际情况具有可比性,由数值模拟得出的滑坡滑动持续时间约40 s。另外,提出的研究思路与方法可为其他滑坡机制研究所借鉴。     

静态和动态载荷作用下岩石劈裂破坏模式的数值模拟

简单介绍了岩石破裂过程分析程序模拟岩石在动载荷作用下破裂过程的原理和功能,并用该程序研究岩石试样在静态和动态载荷作用下的劈裂破坏过程。数值模拟再现了岩石在静态和动态应力作用下破裂模式的差异,给出了在不同冲击应力波幅值条件下岩石试样的3种典型的破裂模式。数值模拟表明,在动态加载时,应力波幅值较低时试样表现出与静态加载时类似的破裂模式,随着应力波幅值的增加,其他2种典型破裂模式就表现出来。     

动载荷作用下含偏置裂纹 三点弯曲梁破坏过程的数值模拟

 偏置裂纹三点弯曲梁被广泛应用于研究I–II复合型裂纹的扩展过程。利用岩石破裂过程分析(RFPA)程序，对含偏置裂纹三点弯曲梁在动载荷作用下的破坏过程进行数值模拟，研究偏置裂纹的位置(用g 来表达)对三点弯曲梁破坏模式的影响。数值模拟结果表明：当g ≤0.745时，偏置裂纹尖端首先起裂，并沿着一定的角度向上扩展，最终贯通整个试样的高度；当g ＞0.745时，在偏置裂纹发生扩展的同时，在梁底部中心位置也萌生出一条中心裂纹，但最终只有中心裂纹贯通整个试样的高度。数值模拟在现了实验中观测到的2种典型破坏模式及其对应的临界g 值。     

用直切槽巴西圆盘试样柔度法确定岩石的弹性模量

利用线弹性断裂力学的柔度法标定技术，建立了用直切槽巴西圆盘（ＣＳＴＢＤ）试样确定岩石拉伸弹性模量的方法。采用三维等参边界元法对ＣＳＴＢＤ试样几何进行标定，获得了仅依赖于试样几何的无量纲弹性柔度Ｅ′ＣｓＢ，其中Ｂ是已知试样厚度，Ｃｓ是弹性柔度，Ｅ′是待定的拉伸弹性模量，通过试验测得Ｃｓ就可确定出Ｅ′。对取自四川某地灰岩进行了两种不同尺寸ＣＳＴＢＤ试样的弹性柔度测试，进而计算出岩石弹性模量。结果表明，用建议方法计算出岩石弹性模量与按照ＡＳＴＭ标准进行单轴拉伸试验所获得的拉伸弹性模量比较，二者吻合较好。在试验中尺寸效应不明显。此方法还能够获得岩石断裂韧度ＫＩｃ。     

边坡动力稳定性数值模拟分析

本文利用FLAC~(3D)建立边坡模型,分析在动力作用下的动力响应规律,研究地震动参数对其动力响应的影响。边坡在动力作用下主要由结构面控制,位移主要发生在潜在滑动面上部。通过数值计算分析对边坡动力响应应力状态的渐变过程和变化规律,为边坡动力破坏灾害的监测、预警、预防提供借鉴模式。     

广义有限元法对动态裂纹扩展的数值模拟

介绍了一种分析平面动态裂纹扩展的有效方法，无需网格重新划分。利用Shepard公式、可视准则、标准有限单元的形函数，构造出在裂纹处不连续的单位分解函数。利用白定义函数基，构建在覆盖上的局部逼近空间。结合这两者，可形成非连续的广义形函数，进而引入位移的不连续性，它与标准有限元法可很好衔接。利用推广的Newmark方法求解动态非线性的裂纹扩展问题；利用基于能量平衡原理的虚拟扩展区域积分方法求解动态应力强度因子，在求解该区域积分时，引入了一个新的辅助函数，改善了数值精度与稳定性。     

DDA方法在台阶爆破仿真模拟中的应用

采用非连续变形分析(DDA)方法对台阶爆破抛掷的全过程进行了模拟分析,给出了人工边界、爆破载荷的处理算法并编制了相应的DDA程序,计算结果较好地反映了节理岩体在爆生气体准静态作用下的破坏、移动的动力学过程以及爆堆的最后形成情况.